Prof. Daniel Hasse Robótica Industrial
Aula 01 - Introdução a Robótica Conceitos básicos Histórico Classificação dos robôs Vantagens da utilização
Definição de Robôs A palavra robot foi introduzida pelo escritor tcheco Karel Capek no seu drama satírico R.U.R. (Rossum s Universal Robots) Deriva da palavra tcheca robota que significa trabalho Máquina automática que executa funções atribuídas a seres humanos
Definição de Robôs Robótica Industrial Manipuladores multi-aplicação, multi-funcional e reprogramável Realização de tarefas repetitivas normalmente atribuídas a humanos Normalmente sem capacidade de mobilidade Robótica Móvel Possui capacidade de mobilidade Realiza as suas próprias decisões utilizando o feedback que recebe do seu ambiente
Definição de Robôs Robótica: termo utilizado para indicar a disciplina associada ao uso e programação de robôs. Engenharia Robótica: refere-se à construção de robôs e dispositivos robóticos. Nem todos os sistemas automáticos são robôs; os sistemas automáticos de funções fixas, como alguns brinquedos com mobilidade ou mesmo uma máquina de Comando Numérico não são consideradas robôs. Para ser uma robô o dispositivo deverá tem uma capacidade de programação e, mais ainda, de alguma adaptação ao problema prático. Claramente, um robô pressupõe um sistema que interage fisicamente pelo movimento de certos componentes mecânicos.
Histórico 1921 - ROBOTA: palavra Tcheca que significa trabalhador forçado, usada por Karel Capek numa peça teatral satírica, intitulado R.U.R. (Rossum s Universal Robots). 1926 - Elektro e Sparko no filme alemão Metrópolis. 1940 - Oak Ridge e Argonne National Labs manipuladores mecânicos remotos para materiais radioativos. 1942 - ROBÓTICA: palavra inventada por Isaac Asimov, para denominar a ciência que lida com robôs. 1950 - Handyman (General Electric) e Minotaur I (General Mills) com atuação elétrica e pneumática. 1954 - George C. Devol: manipulador cuja operação podia ser programada ( programmed articulated transfer device ).
Histórico 1959 - George C. Devol e Joseph F. Engelberger: introdução do primeiro robô industrial, Unimate da Unimation Inc. 1962 - H. A. Ernst: MH 1 mão mecânica com sensores táteis, controlada por computador. 1968 - Shakey: robô móvel desenvolvido no SRI (Stanford Research Institute). 1973 - WAVE: primeira linguagem de programação para robôs (SRI). 1978 - PUMA (Programmable Universal machine for Assembly). 1987 - Subsumption Architectures - Rodney Brooks (MIT). 2001 - Robô humanóide da Honda: capacidade de locomoção, visão, olfato, tato e voz.
Leis da Robótica (Isaac Asimov, 1940) 1ª Lei: Um robô não pode ferir um humano ou por negligência das suas ações, permitir que um ser humano venha a ser ferido. 2ª Lei: Um robô deve obedecer às ordens dadas por humanos, exceto quando essas ordens estiverem em conflito com a primeira lei. 3ª Lei: Um robô deve proteger a sua própria existência, exceto quando contrariar a primeira ou a segunda leis.
Quando Utilizamos os Robôs? Os primeiros robôs industriais começaram a ser comercializados e utilizados com o objetivo de se substituir o ser humano em tarefas em que ele, o ser humano, não poderia realizar, por causa de suas próprias limitações físicas, ou por envolverem condições desagradáveis ou extremas, tipicamente contendo: Calor excessivo, Ruído elevado e constante, Gases tóxicos e ou poeira, Risco de contaminação química ou radioativa, Esforço físico extremo e continuado, Processos sem interrupção, longos e contínuos, Tarefas que exigem vários movimentos simultâneos, Operações que requerem grande precisão na sua execução, Necessidade de uniformidade na produção, Trabalhos monótonos, repetitivos, chatos, Risco de morte.
Limitações de Custo O maior fator que impede a adoção em massa de robôs nas indústrias é seu alto custo. O tempo que se leva para se recuperar o investimento em um robô, depende dos custos de compra, instalação e manutenção, além do treinamento e qualificação de funcionário e operários. Este tempo não é fixo, depende da fábrica ou indústria onde o robô será instalado e de sua aplicação. Devemos considerar as seguintes condições: Número de empregados substituídos pelo robô, Número de turnos por dia, Produtividade comparada a seu custo, Custo de projeto e manutenção, Custo dos equipamentos periféricos, Enfim: a sua relação custo / benefício.
Robô X Humano O Robô Não se cansa Não necessita de salário Não tira férias e nem licença maternidade Pode manter uma qualidade uniforme na produção Não necessita de condições ambientais especiais Não corre o risco de morrer Possui precisão em seus movimentos O ser humano capacidade de aprendizado Aprende com a experiência Tem capacidade de criar Pode realizar movimentos complexos Possui uma memória superior a dos robôs Realiza simultaneamente diversas tarefas Seus sensores ainda não foram superados Toma decisões frente a situações inesperadas
Classificação dos robôs Gerações (cronologicamente) Robôs executores - repetem uma seqüência de instruções pré-gravada como a pintura ou soldagem. Robôs controlados por sensores - possuem malhas fechadas de realimentação sensorial. Tomam decisões com base nos sensores. Robôs controlados por visão - a malha fechada de controle inclui um sistema de visão (imagem que é processada). Robôs com controle adaptativo - o robô pode reprogramar as suas ações com base nos seus sensores. Robôs com inteligência artificial - usa técnicas de inteligência artificial para tomar as suas decisões e até resolver problemas.
Classificação dos robôs Nível de inteligência do controlador (pela JIRA - Japan Industrial Robot Association) Dispositivos manuais - operados por pessoas. Robôs de seqüências fixas. Robôs de seqüências variáveis - onde o operador pode mudar a seqüência com facilidade. Robôs executores - onde o operador humano guia o robô a executar uma tarefa fixa. Robôs controlados numericamente - o operador fornece o programa do movimento, em vez de o ensinar manualmente Robôs inteligentes - percebem e interagem com alterações no ambiente.
Classificação dos robôs Nível de controle dos programas no controlador Inteligência artificial - instruções de alto nível que serão decompostas pelo sistema em funções de mais baixo nível. Modo de controle - os movimentos do sistema são modelizados incluindo as interações dinâmicas entre os diferentes mecanismos. Servo-sistema - os atuadores controlam os parâmetros do dispositivo usando os dados sensoriais nas malhas de controle.
Classificação dos robôs Linguagem de programação Sistema guiados - o operador indica os movimentos que o robô deve fazer. Programação ao nível do robô - o utilizador escreve um programa a especificar as seqüências de movimentos que o robô terá que executar. Programação ao nível de tarefa - o programador especifica apenas as ações a tomar sobre os objetos que o robô manipulará.
Robótica Fixa Versus Robótica Móvel As três categorias principais dos robôs são: Os manipuladores - Robôs industriais Os veículos auto-guiados (AGV) Os robôs móveis As principais diferenças entre estas categorias incidem nos seguintes pontos: Conhecimento continuo da posição (verdade nos braços), Aplicações distintas (manipulação e transporte), Necessidade de percepção do ambiente (crucial nos móveis), Tipo de programação usada (normalmente mais exigente nos robôs móveis).
Robô Autônomo Sojourner Robô autônomo Sojourner, foi enviado a Marte pela NASA (Agência Aeroespacial dos Estados Unidos) para a pesquisa e exploração do planeta vermelho (1997).
Robô Submarino Scorpio 45 Este robô é equipado com câmeras de vídeo, e um braço mecânico, foi utilizado em agosto de 2005 em uma operação conjunta de resgate, composta por especialistas da Rússia, Inglaterra e estados Unidos
Definição de Robô Manipulador Instituto Americano de Robótica Um robô é um manipulador reprogramável, multi-funcional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas. Mikell Grover Um robô industrial é uma máquina multi-aplicação e programável possuindo certas características antropomórficas. Dicionário Webster Um robô é um dispositivo automático que efetua a função normalmente atribuída a homens ou a máquinas na forma de um homem.
Robô Manipulador Típico Punho Junta Ligação Base
Componentes Básicos de um Robô Industrial Manipulador Estrutura Estrutura mecânica (Ligações, Juntas, base, etc.). Atuadores Motores, cilindros pneumáticos, etc., que permitem o movimento das juntas do robô. Controle Controla as juntas do robô e é a interface com o utilizador Ferramenta A ferramenta tem por objetivo a manipulação de objetos e é concebida de acordo com as necessidades de manipulação Teach pendant Console de controle manual e de programação do robô.
Vantagens da Utilização de Robôs Fatores técnicos Flexibilidade na gama de produtos fabricados. Incremento da precisão, robustez, rapidez, uniformidade e suporte a ambientes hostis. Incremento dos índices de qualidade e de peças rejeitadas. Fatores econômicos Utilização eficiente de unidades de produção intensiva. Aumento de produtividade (inexistência de interrupções, etc.). Redução do tempo de preparação da fabricação. Fatores sociológicos Redução do número de acidentes. Afastamento do ser humano de locais perigosos para a saúde. Redução de horários de trabalho. Aumento do poder de compra.
Vantagens na Utilização de Robôs de Manuseamento de Materiais Fatores de segurança acrescida na interface de operadores com máquinas; Repetibilidade da tarefa a realizar; O ambiente de trabalho é prejudicial; Evita-se a manipulação de cargas elevadas por parte de operadores.
Vantagens na Utilização de Robôs de Soldagem Racionalização do processo de soldagem; Incremento da qualidade e segurança.
Vantagens na Utilização de Robôs de Pintura Utilização em condições adversas (perigo de fogo, ruído, etc.), Exemplos: industria de automóvel, eletrodomésticos, porcelanas, etc.
Vantagens na Utilização de Robôs de Montagem Célula de Montagem
Vantagens na Utilização de Robôs de Montagem Linha de Montagem
Aula 02 - Estrutura e Características Gerais dos Robôs Movimento e precisão Configuração básica de um robô Articulações
Braço Robótico Industrial
Anatomia dos Braços Mecânicos Industriais O braço robótico é composto pelo braço e pulso. O braço consiste de elementos denominados elos unidos por juntas de movimento relativo, onde são acoplados os acionadores para realizarem estes movimentos individualmente, dotados de capacidade sensorial, e instruídos por um sistema de controle. O braço é fixado a base por um lado e ao punho pelo outro. O punho consiste de varias juntas próximas entre si, que permitem a orientação do órgão terminal nas posições que correspondem a tarefa a ser realizada. Na extremidade do punho existe um órgão terminal (garra ou ferramenta) destinada a realizar a tarefa exigida pela aplicação. Nos braços reais, a identificação dos elos e juntas nem sempre é fácil, em virtude da estrutura e de peças que cobrem as juntas para protegê-las no ambiente de trabalho.
Elos Numa junta qualquer, o elo que estiver mais próximo da base é denominado elo de entrada. O elo de saída é aquele mais próximo do órgão terminal.
Juntas As juntas podem ser rotativa, prismática, cilíndrica, esférica, parafuso e planar. Suas funcionalidades são: Junta prismática ou linear: Move em linha reta. São compostas de duas hastes que deslizam entre si; Junta rotacional: Gira em torno de uma linha imaginária estacionária chamada de eixo de rotação. Ela gira como uma cadeira giratória e abrem e fecham como uma dobradiça; Junta esférica: Funciona com a combinação de três juntas de rotação, realizando a rotação em torno de três eixos; Junta cilíndrica: É composta por duas juntas, uma rotacional e uma prismática; Junta planar: É composta por duas juntas prismáticas, realiza movimentos em duas direções; Junta parafuso: É constituída de um parafuso que contém uma porca ao qual executa um movimento semelhante ao da junta prismática, porem, com movimento no eixo central (movimento do parafuso).
Tipos de Juntas Robôs industriais utilizam em geral apenas juntas rotativas e prismáticas. A junta planar pode ser considerada como uma junção de duas juntas prismáticas, e portanto, é também utilizada.
Juntas Rotativas As juntas rotativas podem ainda ser classificadas de acordo com as direções dos elos de entrada e de saída em relação ao eixo de rotação. Tem-se assim as seguintes juntas rotativas: Rotativa de torção ou torcional T: Os elos de entrada e de saída tem a mesma direção do eixo de rotação da junta. Rotativa rotacional R: Os elos de entrada e de saída são perpendiculares ao eixo de rotação da junta. Rotativa revolvente V: O elo de entrada possui a mesma direção do eixo de rotação, mas o elo de saída é perpendicular a este.
Graus de Liberdade Os graus de liberdade (GL) determinam os movimentos do braço robótico no espaço bidimensional ou tridimensional. Cada junta define um ou dois graus de liberdade, e assim, o número de graus de liberdade do robô é igual a somatória dos graus de liberdade de suas juntas. Por exemplo, quando o movimento relativo ocorre em um único eixo, a junta tem um grau de liberdade; caso o movimento se dê em mais de um eixo, a junta tem dois graus de liberdade. Observa-se que quanto maior a quantidade de graus de liberdade, mais complicadas são a cinemática, a dinâmica e o controle do manipulador. O numero de graus de liberdade de um manipulador está associado ao número de variáveis posicionais independentes que permitem definir a posição de todas as partes de forma unívoca.
Movimentos Robóticos Os movimentos robóticos podem ser separados em movimentos do braço e do punho. Em geral os braços são dotados de 3 acionadores e uma configuração 3GL, numa configuração que permita que o órgão terminal alcance um ponto qualquer dentro de um espaço limitado ao redor do braço. Pode-se identificar 3 movimentos independentes num braço qualquer: Vertical transversal - movimento vertical do punho para cima ou para baixo Rotacional transversal - movimento do punho horizontalmente para a esquerda ou para a direita. Radial transversal - movimento de aproximação ou afastamento do punho
Movimentos de Punho Os punhos são compostos de 2 ou 3 graus de liberdade. As juntas dos punhos são agrupadas num pequeno volume de forma a não movimentar o órgão terminal em demasia ao serem acionadas. Em particular, o movimento do punho possui nomenclaturas especificas.
Notação dos Movimentos do Punho Roll ou rolamento - rotação do punho em torno do braço Pitch ou arfagem - rotação do punho para cima ou para baixo Yaw ou guinada - rotação do punho para a esquerda e para a direita.
Cadeias Cinemáticas Uma das principais características de um braço industrial é sua capacidade de carga, isto é, qual é o peso máximo que ele consegue manipular (erguer) sem que sua precisão seja afetada. Esta capacidade é sempre medida na posição mais critica, o que significa em geral uma posição de máxima extensão do braço. Varias soluções podem ser adotadas para aliviar o peso do próprio manipulador e, conseqüentemente, aumentar a capacidade de carga. Uma forma é utilizar cadeias cinemáticas fechadas ou parcialmente fechadas.
Cadeias Cinemáticas
Classificação de um Robô Industrial Manipulador Normalmente os robôs manipuladores são classificados de acordo com as suas configurações físicas ou de acordo como sistema de controle adaptado. A configuração física dos robôs esta relacionada com os tipos de juntas que ele possui. Cada configuração pode ser representada por um esquema de notação de letras. Considera-se primeiro os graus de liberdade mais próximos da base, ou seja, as juntas do corpo, do braço e posteriormente do punho. Classificação baseada na configuração física: Cartesiano ou retangulares (LLL) Cilíndrico (LVL) Polar ou esféricos (TRL) Articulados (TRL) SCARA (VRL)
Exemplos Típicos de Robôs manipuladores a) b) c) d) Robô Cartesiano Robô Cilíndrico Robô Polar Robô Articulado
Robôs Manipuladores Cartesianos É o robô de configuração mais simples Movimento retilíneo nas direções X, Y e Z Três juntas lineares (L) Deslocamento, alcance e elevação Este robô opera dentro de um envoltório de trabalho cúbico.
Robôs Manipuladores Cilíndricos Este braço possui na base uma junta prismática, sobre a qual apóia-se uma junta rotativa (revolvente ou torcional). Uma terceira junta do tipo prismática é conectada na junta rotativa formando uma configuração LVL Alcance, elevação e rotação Este braço apresenta um volume de trabalho cilíndrico
Robôs Manipuladores Esféricos Ele conta com duas juntas rotativas seguida de uma junta prismática. A primeira junta move o braço ao redor de um eixo vertical, enquanto que a segunda junta gira o conjunto ao redor de um eixo horizontal. Suporta grandes cargas e grande alcance. É bastante utilizado para carga e descarga de máquinas O volume de trabalho é um setor esférico
Robôs Manipuladores SCARA Compacto, tem grande precisão e repetibilidade, embora com um alcance limitado. Estas características o tornam próprios para trabalhos em montagem mecânica ou eletrônica que exigem alta precisão. Possui duas juntas rotativas e uma junta linear, que atua sempre na vertical. O volume de trabalho deste braço é cilíndrico, porem, como utiliza juntas rotativas, é também considerado articulado. Selective Compliance Assembly Robot Arm, ou Braço Robótico de Montagem com Complacência Seletiva.
Robôs Manipuladores Articulados Este tipo de robô possui 3 juntas rotativas Eles são os mais usados nas industrias, por terem uma configuração semelhante ao do braço humano, (braço, antebraço e pulso). O pulso é unido a extremidade do antebraço, o que propicia juntas adicionais para orientação do órgão terminal. Este modelo de configuração é o mais versátil dos manipuladores, pois assegura maiores movimentos dentro de um espaço compacto.