TECONOLOGIAS EMPREGADAS NO ACIONAMENTO DE ROBÔS MANIPULADORES

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1 TECONOLOGIAS EMPREGADAS NO ACIONAMENTO DE ROBÔS MANIPULADORES

2 1) MOTORES Motores de passo e servo-motores (com ou sem escovas) têm cada um suas respectivas vantagens e desvantagens. Em geral não existe uma solução única para cada tipo de acionamento. Fig. 5 - Tecnologias disponív eis para implementação do acionamento Os argumentos a seguir mostram um rápido panorama quanto ao uso de cada uma destas tecnologias. MOTOR DE PASSO Menor custo Perda de suavidade em baixas Se uma aplicação pode ser realizada velocidades com motor de passo, então esta deve Maior problema dos motores de passo. ser a escolha natural. Pode, porem ser solucionado com drives de micro-passo. Isento de Manutenção Perda de posicionamento em malha Não há escovas ou outras partes aberta sujeitas a desgastes, não necessitando Pode ocorrer em situações de portanto de manutenções ou trocas sobrecarga. Um encoder para periódicas. confirmação de passo poderia resolver o problema, porém neste caso seria Estabilidade em paradas Sem comutação na corrente de fase o rotor permanece completamente parado. Não há tendências do rotor em se agitar em torno de uma posição do encoder ou do resolver. MOTOR DE PASSO (...continuação) Industrialmente padronizado São fabricados com eixo ou face preferível o uso de um servo motor. Corrente nominal mesmo quando parado Como o torque de retenção exige circulação de corrente, isto causará aquecimento do motor mesmo quando parado. Ressonâncias em altas velocidades Os motores de passo não são 2

3 padronizados (Norma NEMA ou Métrico) sendo portanto facilmente substituíveis. Baixa limitação pelo ambiente Podem ser usados em quase todos os ambientes (inclusive no vácuo). Isentos de falhas Não há como uma falha no drive ocasionar perda de controle do movimento. Pelo contrário em tais situações há a tendência do rotor em parar (ao contrário do que pode acontecer nos sistemas servo controlados) Dificilmente desmagnetizável Elevados níveis de corrente não causam desmagnetização de seus materiais (ao contrário do que pode ocorrer com os motores com escova). Seguro e confiável Os motores de passo são bastante simples sob o ponto de vista construtivo, praticamente isentos de falhas. Resistente a sobrecargas Não há elevação da corrente no motor quando em situações de sobre carga como ocorrem nos servo motores. Relação torque/tamanho Comparado com motores DC (com escovas) de mesmo tamanho, o motor de passo pode fornecer altos torques de saída em baixas velocidades. Conexão simples Apenas 4 vias de alimentação são necessárias, o que pode ser uma vantagem em situações onde as conexões tenham elevados custos. recomendáveis para velocidades de operação em torno de 2000 rpm. 3

4 Baixo custo Os motores DC são produzidos atualmente com baixos custos de fabricação Suavidade em baixas rotações Esta característica é obtida através de modelos com grande número de ranhuras (lamelas) no rotor, o que o torna a melhor opção de suavidade das três opções. Drives de baixo custo Um drive de corrente contínua pode ser tão simples quanto apenas uma ponte de transistores. Sem consumo em paradas Sem carga estática no motor não haverá consumo de corrente para manter uma posição. Altos torques de pico Em aplicações com ciclo de trabalho intermitente (particularmente no posicionamento de cargas tipicamente inerciais), o motor pode operar com sobre-correntes. Planicidade da curva torquevelocidade Permite obter ótimas performances através da simples geração de rampas de aceleração tipo linear. Grande variedade de modelos disponíveis Os motores DC são encontrados em uma grande variedade de opções, incluindo motores com baixa inércia para aplicações de alta dinâmica. Operação em altas velocidades Motores DC podem operar sem problemas em velocidades de até 5000 RPM SERVO MOTORES DC Manutenção das escovas Não chega a ser um problema se o motor estiver em local de fácil alcance, caso contrário inviabiliza a aplicação. Há que se considerar também a emissão de pó por parte do carvão das escovas, o que inviabiliza seu uso em locais extremamente limpos. Riscos de explosão Devido ao faiscamento gerado nas escovas tal característica inviabiliza seu uso em ambientes sujeitos a explosão (ou no vácuo). Comutações limitadas A repetibilidade de movimentos curtos (menor do que uma rotação) fica limitada devido a comutação mecânica. Baixa dissipação térmica Todo calor é gerado internamente no rotor, o que dificulta sua dissipação para o meio. Pode ser desmagnetizado Elevadas correntes podem resultar em desmagnetizações parciais do motor. Custo de instalação Os servo-motores DC apresentam maiores custos de instalação quando comparados aos motores de passo. 4

5 SERVO MOTORES SEM ESCOVAS (BRUSHLESS) Isentos de manutenção Pelo fato de não apresentarem escovas para comutação. Boa dissipação térmica Todo calor é gerado no estator o que facilita sua dissipação para o meio. Altíssimas velocidades Não há comutadores mecânicos para limitarem a velocidade, pequenos motores brushless podem facilmente atingir velocidades de até RPM Insensíveis ao ambiente Não emitem ruídos, pós, faíscas, ou outros tipos de resíduo ao ambiente. Além disto podem suportar elevadas temperaturas bem como ambientes em vácuo. Elevado custo Principalmente devido ao uso de materiais magnéticos compostos por terras raras. Drives mais caros e complexos Drives do tipo seis estados, trapezoidais não são tão mais caros do que os drives para motores DC com escovas, porém drives com geração de ondas senoidais podem custar várias vezes mais. O atual estado-da-arte prevê a opção pela tecnologia de acionamento através de SERVOMOTOR BRUSHLESS pelo fato do mesmo apresentar melhor desempenho dinâmico, característica fundamental para um sistema robótico. Além disto, serão solicitadas elevadas velocidades de rotação devido à grande relação de redução empregada (~100). 5

6 2) TRANSMISSÃO MECÂNICA Afim de transmitir os torques motores às juntas do manipulador dispõem-se de duas alternativas principais. Uma delas através do acionamento direto, ou seja, sem a presença de elementos redutores mecânicos e, outra alternativa através da utilização de mecanismo redutor. Cada uma das alternativas apresenta suas respectivas vantagens e desvantagens técnicas. O quadro a seguir apresenta um breve resumo de tais características. ACIONAMENTO COM TRANSMISSÕES Redução no torque do motor Devido ao fator de redução da transmissão, o torque exigido do motor fica reduzido. Minimização de não-linearidades Todas as não linearidades do sistema manipulador devido aos acoplamentos entre juntas bem como devido a torques gravitacionais ficam reduzidas. Presença de folgas Os elementos redutores mecânicos apresentam folgas que ocasionam backlash, podendo comprometer a precisão do sistema. Inserção de inércia e atritos Um elemento redutor ocasionará a introdução de uma inércia própria bem como elevará as perdas por forças de atrito. Rendimento reduzido Todo elemento redutor irá ocasionar um fator de rendimento de transmissão de torque < 1 (~0,95). Isentos de folgas Como não há redutor o sistema fica isento de folga mecânica. Alto rendimento O uso de elemento redutor apresentaria um rendimento < 1. ACIONAMENTO DIRETO Elevado torque do motor O torque necessário para o motor não é reduzido pelo fator de transmissão. Motores de alto torque são exigidos. Presença de não-linearidades Todas as não linearidades oriundas dos acoplamentos entre juntas têm que ser tratadas pelo controlador. Pelas características acima expostas é possível concluir que ambas as formas de transmissão apresentam semelhantes razões de vantagens/desvantagens, fato que a princípio não permite extrair uma escolha definitiva. Entretanto, cabe ressaltar que a grande maioria dos casos reais de robôs manipuladores utilizam-se de elementos para transmissão tais como reduções do tipo harmonic-drives ou cicloidais. Por este motivo apresenta-se a seguir uma discussão prévia a respeito de tais elementos. 6

7 Para a transmissão do movimento às juntas de um robô é conveniente que se utilizem elevados fatores de redução. Tal critério se baseia no fato de que as não linearidades, devido ao acoplamento entre juntas típicas de um sistema robótico, têm um efeito de perturbação sobre o sistema de controle inversamente proporcional ao quadrado da relação de redução (exceto para os torques gravitacionais). Além disto é conveniente que tais reduções apresentem: - baixo valor de inércia, - massa tão reduzida quanto possível, - isentas de folgas, - elevada rigidez e - grande fator de redução Com tais características é possível reduzir a inércia dos componentes mecânicos referida ao eixo do motor, compatibilizar as velocidades de operação entre o motor e o acionamento das juntas, além de aumentar o torque do motor. As opções comercialmente disponíveis para propiciar tais características são as transmissões mecânicas transformadoras especiais do tipo Planetária Cicloidal e do tipo Harmonic Drive. Fig. 6 Opções tecnológicas para implementação da transmissão TRANSMISSÃO HARMONIC DRIVES Alta capacidade de torque Necessita lubrificação Boa precisão de posicionamento Eficiência depende da rotação Repetibilidade Alta rigidez à torção Zero backlash (segundo o fabricante) 7

8 TRANSMISSÃO CICLOIDAL Alta grau de rigidez Geração de calor Baixa inércia de entrada Erro de velocidade minimizado Correção de backlash < 1 min. Não necessita lubrificação Alta eficiência ESQUEMA FUNCIONAL Todos os motores que compõem o sistema (juntas + alimentador de eletrodo) serão alimentados por drives específicos cujo controle centraliza-se na CPU do computador. A ilustração a seguir mostra um diagrama geral das interconexões, enquanto a figura seguinte traz um maior detalhamento da natureza dos sinais envolvidos no controle de cada um dos motores das juntas. Fig. 7 Diagrama geral de interconexões 8

9 MODELOS DINÂMICOS Tipicamente, um robô manipulador é uma estrutura formada por um conjunto de juntas antropomorficamente dispostas de forma a permitir o posicionamento e orientação do efetuador final (no caso uma tocha de soldagem) no espaço tridimensional. O controle da dinâmica de tais juntas é estudado a partir da teoria de sistemas não lineares, uma vez que o modelo dinâmico para cada junta apresenta-se de forma acoplada em relação à postura (posição, velocidade e aceleração) das demais juntas ocasionando comportamentos não lineares. Um equacionamento matricial típico para o torque dinâmico de um robô manipulador é dado por: B(q)q + C(q,q )q + F v q + g(q) = τ onde: τ q,q,q B C F v g é o torque necessário para movimentação da junta representam a posição, velocidade e aceleração da junta; representa os termos inerciais refletidos em cada uma das juntas; representa os termos de iteração entre juntas, dado pelas forças centrífugas e pelas forças de Coriolis representa os termos de forças de atrito indica os termos referentes às acelerações gravitacionais E, um diagrama de blocos para um tal sistema, considerando o emprego de transmissões com uma constante de redução Kr pode ser representado por: Fig. 8 Blocodiagrama da dinâmica de um robô manipulador 9

10 No diagrama anterior τm e Fm representam respectivamente o torque e as forças de atrito refletidas no eixo do motor, e B e B representam respectivamente as parcelas inerciais acopladas e desacopladas tal que B = B e B. Assim, torna-se possível considerar o modelo do manipulador como duas parcelas, uma não linear e acoplada (em verde) e outra parcela linear e desacoplada (em azul) o que irá facilitar a implementação do sistema de controle uma vez que as parcelas não lineares podem ser tratadas como pertubações a serem corrigidas pelo controlador, como exemplifica o diagrama abaixo: Fig. 9 Blocodiagrama de controle PD para uma j unta de um robô manipulador No diagrama anterior pode-se observar que a posição de referência θr é comparada com a leitura do sensor de posição (encoder) gerando um sinal de êrro para um controlador proporcional-integral, cujo ganho proporcional é dado por Kp e Tp é o constante de tempo do integrador. Ainda na mesma ilustração kt, Ra e I representam respectivamente a constante de tempo, a resistência do circuito de armadura e a inércia do motor. 10