Ferramentas Computacionais para Prototipagem Rápida de Sistemas Mecatrônicos

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1 Ferramentas Computacionais para Prototipagem Rápida de Sistemas Mecatrônicos Prof. Dr. João Mauricio Rosário Laboratório de Automação Integrada e Robótica UNICAMP - Faculdade de Engenharia Mecânica rosario@fem.unicamp.br

2 Ferramentas Computacionais para Prototipagem Rápida de Sistemas Mecatrônicos Resumo Tendências importantes são observadas no projeto de máquinas e equipamentos no âmbito mundial com a utilização de sistemas computacionais e mecânica de precisão associados aos requisitos impostos de qualidade e de produtividade. São apresentadas tendências e fatores relevantes da evolução da robótica e seus periféricos, projeto, especificação e instalação.

3 Automação Industrial (Fonte: Rosário, 2004).

4 Automação Industrial (Visão Abrangente) Integração de conhecimentos substituindo a observação, esforços e decisões humanas por dispositivos (mecânicos, elétricos, entre outros) e software concebido através de especificações funcionais e tecnológicas e metodologias. (Fonte: ABDI, 2011)

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8 (Fonte: Festo Didactic GmbH& Co, Ktistakis, 2006)

9 1. Componente Circuitos integrados, sensores, atuadores, mecanismos; 2. Máquina Máquinas de usinagem, medição, inspeção, sistemas de movimentação, embalagem; 3. Sistema 3. Sistema FMS Sistemas Flexíveis de Manufatura, FAS Sistema de Automação de Fabrica, CIM Sistemas Integrados de Manufatura.

10 Nível 6: Gestão e Gerenciamento da Produção Industrial. Nível 5: Controle de Processos Industriais; Nível 4: Células Integradas de Automação da Manufatura; Nível 3: Gerenciamento: Servidores e Estações de Trabalhos; Nível 2: Equipamentos e Máquinas Industriais; Nível 1: Chão de Fábrica constituído de sensores e atuadores Industriais; (Fonte: Festo Didactic GmbH& Co, Ktistakis, 2006)

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12 Simplificação do sistema mecânico; Redução de tempo e de custo de desenvolvimento; Facilidade de se introduzir modificações ou novas capacidades; Flexibilidade para receber futuras modificações ou novas funcionalidades.

13 Flexibilidade de operação: programabilidade; Inteligência: capacidade para sensoriamento e processamento das informações, permitindo assim, a adaptação a diferentes condições de operação; Auto-monitoramento e prevenção ativa de acidentes; Auto-diagnóstico em caso de falhas; Redução do custo de manutenção e consumo de energia; Elevado grau de precisão e confiabilidade.

14 Ciclo de Desenvolvimento de um produto (IFAC, 2008) 14

15 Integração de conhecimentos de áreas tradicionais como a Engenharia Mecânica, Eletrônica, Controle e Computação de forma integrada e concorrente...

16 Máquina de manipulação com vários graus de liberdade, controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para a utilização em aplicações de automação industrial Fonte: Norma técnica ISO O campo da Robótica Industrial pode ser definido como o estudo, desenvolvimento e uso de Sistemas Robóticos para a Manufatura. As aplicações típicas dos Robôs Industriais incluem fundição, pintura, soldagem, montagem, movimentação de cargas, inspeção de produtos, e realização de teste, tudo realizado com uma precisão, velocidade, e robustez relativamente elevadas. ISO: International Organization for Standardization

17 Robótica no Contexto da Automação Integrada Evolução Robótica Colaborativa Robótica Humanóide Robótica Serial e Paralela Integração 17

18 Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle Robótica Industrial Dispositivos e Sistemas Ferramentas e Dispositivos Garras e Ferramentas Biomecatrônica 18

19 Robótica Industrial Dispositivos e Sistemas Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle Concepção Cinemática Serial Paralelos Móveis Humanóides Ferramentas e Dispositivos Garras e Ferramentas Biomecatrônica 19

20 Robótica Industrial Dispositivos e Sistemas Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle Concepção Cinemática Serial Paralelos Móveis Humanóides Ferramentas e Dispositivos Garras e Ferramentas Biomecatrônica 20

21 Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle Robótica Industrial Dispositivos e Sistemas Sistema de Acionamento e Controle Sistema de Acionamento e Transmissão Mecânica Sensores e Atuadores Dinâmica e Estrutura de Controle Ferramentas e Dispositivos Antropomórficos Garras e Ferramentas Biomecatrônica 21

22 Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle Robótica Industrial Dispositivos e Sistemas Sistema de Acionamento e Controle Sistema de Acionamento e Transmissão Mecânica Sensores e Atuadores Dinâmica e Estrutura de Controle Ferramentas e Dispositivos Antropomórficos Garras e Ferramentas Biomecatrônica 22

23 Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle Robótica Industrial Dispositivos e Sistemas Ferramentas e Dispositivos Antropomórficos Garras e Ferramentas Biomecatrônica 23

24 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robô SCARA (RRP) Robô coordenadas polares (RRP) Mesa coordenadas cartesianas (PPP) Robô coordenadas cilíndricas (RPP)

25 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robôs Paralelos Orthoglide(Pashkevich et al., 2006) Eye Eagle (Gosselin et al. 1999) Delta (ABB FlexPicker-IRB340) HEXA (Toyoda) Plataforma Stewart

26 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robô com Estrutura Serial x Paralelo

27 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robôs móveis Robotino(FESTO) Rocky IV (NASA) Rocky IV (NASA) Asuro Electrolux (2 milhões de limpadores vendidos

28 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robôs Aéreos Configuração Tradicional Global Hawck Trirotor Dualrotor

29 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Starmac DragonFlyerTi Quadrotor

30 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robôs Móveis Estrutura Mecânica Rodas Onidirecionais; 3 motores DC com redutores; Mobilidade em qualquer direção; Chassis em aço com barra protetora de borracha; Fácil acesso às baterias; Fácil acesso à rodas, motores e transmissão; Sensores: 9 sensores infra-vermelho para distância Sensor indutivo analógico Sistema de Visão -câmera Web USB Sensores ópticos digitais Plataforma aberta para inserção de outros sensores: Sensores ultra-sônicos Sensor de Navegação 8 entradas e saídas digitais 10 entradas analógicas 2 relês

31 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robôs Móveis Arquitetura de Controle

32 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robô Humanóide 32

33 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robôs Humanóides

34 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robô Humanóide Nao 34

35 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Robôs Especiais Roque (UFES, BRASIL) 35

36 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Acionamento elètrico Critérios utilizados para Seleção de Motores Características Positivas Características Negativas Aplicações Motor de Passo (Stepper Motors) Baixo Custo Não necessita de realimentação de posição Bom torque até o final do curso a baixa velocidade Bom para posicionamento básico Apresenta ruído e ressonância; Apresenta torque ruim a altas velocidades; Não é bom para cargas variáveis. Posicionamento Micromovimento Brushed Motors (Motor com Escovas) Custo Relativamente Baixo Velocidade Moderada Usa drives simples Necessita manutenção; Não é bom para ambientes limpos; Apresenta faíscas elétricas; Requer realimentação. Controle de Velocidade Controle de alto desempenho Brushless Motors (Motor sem Escovas) Sem manutenção Longo tempo de vida Alta velocidade Bom para ambientes limpos Alto custo; Usa drives mais complicados; Requer realimentação. Robótica Pick and place Torque muito alto ou aplicações rápidas 36

37 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Tipos de Sistemas de transmissão mecânica 37

38 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo ROBÔ INDUSTRIAL SISTEMA DE ACIONAMENTO E CONTROLE 38

39 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Estrutura de Controle de um Robô Industrial 39

40 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo 40

41 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo O objetivo das ferramentas é realizar uma ação ou trabalho sobre uma peça, como soldar, pintar, cortar. Soldagem por arco Soldagem por pontos Corte com jato de água 41

42 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Efetuadores finais Têm como vantagem projeto mecânico de concepção simples confiabilidade custos de manutenção reduzidos. Diferentes tarefas, com a utilização de um único robô numero variado de opções com diferentes efetuadores finais. 42

43 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Garras antropomórficas A mão humana efetuador final com grande destreza diferentes objetos ferramentas em diversas atividades. 43

44 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Dispositivos Biomecatrônicos 44

45 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo 45

46 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Próteses e Órteses Antropomórficas Estáticas ou Não funcionais Membros Superiores Membros Inferiores Membros Superiores Mioelétricas Híbridas 46

47 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Dispositivos de Locomoção 47

48 Robótica Industrial Integração e Tecnologias Prototipagem Rápida Integração de Sistemas Realidade Virtual Sistema Embarcado Cadeia Produtiva Teleoperação Programação Offline Segurança e Manutenção Sistema de Inspeção 48

49 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Modelagem de sistemas a eventos REDE DE PETRI GRAFCET 49

50 Prototipagem Rápida de Sistemas Mecatrônicos A prototipagem rápida pode ser definida com o conjunto de metodologias (associadas a ferramentas) que permitem a construção de protótipos computacionais de uma maneira econômica e segura, reduzindo custos e o ciclo de concepção de um produto. Dentre as principais vantagens da utilização de Sistemas de Prototipagem Rápida em Mecatrônica podemos citar as seguintes: Detecção mais rápida de possíveis erros decorrentes da fase de implementação de um projeto, acarretando um menor custo de correção e/ou modificação do projeto, Concepção dentro de um ambiente de simulação e prototipagem comum, acarretando de tal modo na economia no desenvolvimento do projeto atual e de futuros projetos, Ambiente apropriado para Engenharia Colaborativa, com forte integração e conceito de equipe de trabalho.

51 Prototipagem Rápida de Sistemas Mecatrônicos A prototipagem rápida, que pode ser feita em vários níveis de abstração, três fases se apresentam como representantes deste ciclo integrado: a) Modelagem do sistema físico, b) Visualização do modelo funcional c) Descrição funcional do software/hardware a ser implementado. d) Simulação Inicialmente, esse conceito era muito utilizado anteriormente para a construção de protótipos de peças mecânicas a partir de um projeto desenvolvido em CAD (Computer Aided Design) ou da implementação de componentes eletrônicos em FPGA s a partir de um CAD de eletrônica. Mais recentemente, esse conceito é utilizado de forma mais ampla, envolvendo a concepção de todo um projeto de um sistema mecatrônico desde as fases de modelagem, simulação e arquitetura de controlador até a sua implementação final em hardware dedicado.

52 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Prototipagem Rápida em Célula Flexível de Manufatura O conceito de prototipagem rápida em células flexíveis de manufatura refere-se à integração de diferentes dispositivos em células automatizadas de manufatura. Prototipagem Mecânica Prototipagem Rápida Prototipagem Elétrica Prototipagem Virtual 52

53 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Modelagem CAD 53

54 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Programação Offline 54

55 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Teleoperação: Técnicas utilizadas para manipular objetos e efetuar operações a distância, por exemplo uma pessoa comanda um robô distante. 55

56 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Teleoperação: 56

57 Arquiteturas de Controle em Sistemas Embarcados na Prototipagem Rápida 57

58 Tempo de produção Custos Planejamento Introdução Sistemas de Controle Desenvolvimento da arquitetura de controle Modelos integrados em Tempo Real Simulação & Emulação Desenvolvimento do produto 58

59 Etapas do desenvolvimento de Sistemas de Controle 59

60 Sistemas de Controle Baseado no Modelo 1. Analise do sistema. 2. Projeto do controlador: modelos do controlador são desenvolvidos e testados pela simulação. 3. Implementação: O código C-code, para sistemas embebidos é automaticamente gerado para os modelos de controle. 4. Test: O código é executado desde uma placa eletrônica como unidade de Controle ECU (Electronic Control Unit. 5. Ajuste: Modelo e emulação do sistema atual. 60

61 Sistemas de Controle Baseado no Modelo 61

62 Integração de sistemas de controle Baseado no Modelo Software in the Loop SIL Process in the Loop Modelin theloop PIL Integração de Controladores Malha Fechada MIL HIL Hardware in the Loop

63 Conceitos M-S-P-H-In TheLoop 63

64 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Simulação hardware-in-the-loop 64

65 Conceitos M-S-P-H-In TheLoop 65

66 MIL: Modelin theloop O modelo existe na ferramenta de simulação (Simulink- Stateflow) Ótimo para desenvolver algoritmos de controle 66

67 SIL: Software in theloop O modelo existe na ferramenta de simulação (Simulink- Stateflow) e parte em código de execução C-code, S-funtion Ótimo para desenvolver algoritmos de controle 67

68 HIL: Hardware in theloop Parte do modelo é executado no simulador em tempo real, e a outra parte esta no hardware físico. Ótimo para testes e interação com o hardware. 68

69 PIL: Processorin theloop No teste dos modelos é feito utilizando placas com processadores embarcados. 69

70 Conceitos M-S-P-H-In TheLoop

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72 Ferramentas para simulação e emulação MATLAB Simscape SimHydraulics SimMechanics SimDriveline SimElectronics SimPowerSyst ems modelagem de mecânica básica, sistemas elétricos e hidráulicos modelagemde sistemas hidráulicos modelagem tridimensional de sistemas mecânicos modelagem de sistemas de transmissão de automóveis modelagemde circuitos eletrônicos modelagem de sistemas de energia, acionamentos e eletrônica de potência

73 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Simulador Virtual

74 Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo Simulador Virtual (Cinemático + Dinâmico) 74

75 LABVIEW 75

76 MODELICA

77 Dispositivos 77

78 Arquiteturas de Controle em sistemas embarcados TIPO PID FUZZY PID-FUZZY FUZZY HÍBRIDO PREDITIVO REDE NEURAL ADAPTATIVO(PREDITIVO) CONTROLE COM OBSERVADORES E OTIMIZAÇÃO NÃO LINEAR OPTIMAL FRACTIONAL ORDER PROPORTIONAL INTEGRAL (OFOPI)

79 ETAPAS PID 1.PROJETO Implementação de um controlador PID embarcado para o controle em malha fechada de um estimulador neuromuscular funcional 2.MODELAGEM 3.ESTRUTURA SOFTWARE- HARDWARE 1. MATLAB 2. PROTEUS 3. Microcontrolador PIC18F IMPLEMENTAÇÃO

80 Controlador PID embarcado 1. Modelo do sistema 2. Controlador PID

81 Controlador PID embarcado 3. Características digitais: Tamanho da palavra: Microcomputadores com tamanhos de palavra de 8, 16 ou 32 bits Resolução dos conversores A/D-D/A: Resolução básica dos conversores D/A é em torno de 10 bits e dos conversores A/D é de 8 a 16 bits Resolução mínima do conversor AD Resolução mínima do conversor DA

82 Controlador PID embarcado 4. PID digital-simulação:

83 Controlador PID embarcado 5. PID-Emulação no sistema embarcado: P= K*erro I= I_ant+{K*T}*{2*T_i}*(erro+erro_ant}/{(2*T_i)} D= (pt-2)/(pt+2)}*d_ant+ (2*K*T_d)/(T*(pT+2))*(erro-erro_ant) sinal_controle= P + I + D erro_ant=erro D_ant= D

84 Ferramentas Computacionais para Prototipagem Rápida de Sistemas Mecatrônicos Prof. Dr. João Maurício Rosário Obrigado pela atenção