ROBOTICA INDUSTRIAL BAÇO ROBÓTICO CAPITULO 3 Na indústria moderna e também em laboratórios de ensino e pesquisa, cada vez mais estão sendo utilizados diversos tipos de robôs nos processos de manufatura ou de controle da qualidade. Mas, o quê se entende exatamente por um ROBÔ? Existem muitas definições diferentes, dependendo do ponto de vista e, em geral, da área na qual se trabalha com os robôs. Uma acepção supostamente "oficial" do termo robô foi estabelecida pelo Instituto Americano de (RIA): "Um robô industrial é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças,ferramentas ou dispositivos específicos em movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas". Essa definição, do ponto de vista mais amplo do termo robô, corresponde apenas a uma classe específica, precisamente a dos ROBÔS MANIPULADORES. São exemplos de robôs manipuladores os braços mecânicos, ou qualquer sistema que, em geral, tenha por objetivo deslocar material de um ponto para outro do espaço ou acompanhando uma trajetória dentro de um volume de trabalho. Da definição dada podem ser extraídas diversas conclusões sobre as características dos robôs manipuladores. Uma delas é que, como qualquer robô, a tarefa a realizar deve estar previamente programada e seu acionamento dependerá desse programa de controle. Essa característica é invariável para todo robô, portanto também para os manipuladores. Uma outra conclusão é que os manipuladores têm como principal objetivo deslocar materiais, que podem ser peças diversas, ferramentas que irão trabalhar sobre uma peça, ou sistemas de visão que deverão monitorar o andamento de um determinado processo, entre outras possibilidades.
O tipo mais conhecido de robô manipulador é o braço mecânico. Ele consiste numa série de corpos rígidos interligados por juntas que permitem um movimento relativo entre esses corpos, assemelhando-se assim sua forma geral à de um braço humano, às vezes quase com as mesmas possibilidades de movimento. ESTRUTURA Os robôs industriais são projetados com o intuito de realizar um trabalho produtivo. O trabalho é executado quando o robô movimenta sua estrutura a fim de deslocar o objeto a ser manipulado. A estrutura de um robô manipulador consiste basicamente numa série de corpos rígidos, idealmente sem deformação pela ação de forças aplicadas sobre eles e que, em geral, são feitos de um material resistente como aço, que se denominam ELOS (links). Esses elos podem ter diversos tamanhos e formas dependendo da aplicação, estando unidos por JUNTAS (articulações) que lhes permitem ter um movimento relativo entre eles. Assim, em alguma localização do elo, existirá uma junta que o une com o elo seguinte, permitindo-lhe um movimento. Conforma-se assim uma cadeia cinemática aberta de elos interligados por juntas. Em geral, os manipuladores estão montados sobre uma BASE fixa, à qual está unido o primeiro elo através da primeira junta. Esta base
pode estar montada sobre uma superfície também fixa, ou num veículo (automatizado ou não), que lhe permita um deslocamento pelo local de trabalho. O ponto extremo do último elo é conhecido com o nome de PUNHO, e é onde costuma estar fixado o EFETUADOR; no caso particular dos braços mecânicos ele se assemelha à mão no extremo do antebraço.
EFETUADORES O efetuador é o componente capaz de promover a interação entre a extremidade terminal do manipulador mecânico e o objeto a ser trabalhado. Este componente é. Os efetuadores podem ser divididos em dois grandes tipos: As ferramentas especiais e as garras mecânicas. As ferramentas têm como função realizar uma ação ou trabalho sobre uma peça, sendo relacionadas principalmente a operações de processamento e controle de qualidade. Efetuadores usados em robótica são padronizados,de tal forma a permitir uma vinculação fácil à extremidade terminal do robô industrial e geralmente podem ser controlados pela mesma unidade de controle do robô, através de interfaces apropriadas. O uso de ferramentas está associado diretamente às tarefas a serem realizadas. Dentre as ferramentas mais tradicionais utilizadas em operações de processamento estão: O porta eletrodo, a pistola de aspersão (para pó, jateamento de superfícies e etc.), a pistola de pintura, as tochas para soldagem TIG e MIG/MAG, o dispositivo para soldagem/corte à plasma, o conjunto de pinças para soldagem por pontos, o dispositivo para soldagem/corte à laser, o porta esmeriladora, o maçarico para corte oxiacetilênico, a pistola para limpeza por jato d'água, a pistola para corte por jato d'água e etc. APLICAÇÕES DE ROBÔS INDUSTRIAIS A maioria das atividades relacionadas a robôs industriais em processos de produção envolvem operações de movimentação, processamento e controle de qualidade. A seguir são apresentadas algumas destas atividades: Movimentação: movimentação de peças entre posições definidas; Transporte de peças entre esteira transportadora e máquinas operatrizes;
Carregamento e descarregamento de peças em máquinas operatrizes; Carregamento e descarregamento de peças em magazines; Soldagem por resistência elétrica (pontos) ou a arco (contínua); Fixação de circuitos integrados em placas; Pintura e envernizamento de superfícies; Montagem de peças; Acabamento superficial; Limpeza através de jato d'água e abrasivos; Corte através de processos por plasma, laser, oxicorte ou jato d'água; Fixação de partes com parafusos, deposição de cola, rebites; Empacotamento,Controledequalidade,Inspeção por visão, verificação dimensional de peças através de sensores. TIPOS DE JUNTAS. A maioria dos braços dos robôs são formadas pelas juntas deslizantes e de revolução, embora alguns incluam o de bola e encaixe. A seguir será descrito cada um destes tipos de juntas. Juntas Deslizantes. Este tipo de junta permite o movimento linear entre dois vínculos. É composto de dois vínculos alinhados um dentro do outro, onde um vínculo interno escorrega pelo externo, dando origem ao movimento linear. Este tipo de junta é mostrada, como segue.
Junta deslizante Juntas de Rotação. Esta conexão permite movimentos de rotação entre dois vínculos. Os dois vínculos são unidos por uma dobradiça comum, com uma parte podendo se mover num movimento cadenciado em relação à outra parte, como mostrado na figura 3. As juntas de rotação são utilizadas em muitas ferramentas e dispositivos, tal como tesouras, limpadores de pára-brisa e quebra-nozes. Junta de rotação Juntas de Bola e Encaixe. Esta conexão se comporta como uma combinação de três juntas de rotação, permitindo movimentos de rotação em torno dos três eixos, como mostrado.
Junta de bola e encaixe Estas juntas são usadas em um pequeno número de robôs, devido à dificuldade de ativação. De qualquer maneira, para se ter a performance de uma junta bola e encaixe, muitos robôs incluem três juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentação se cruzam em um ponto. Três juntas rotacionais substituindo a junta de bola e encaixe
GRAUS DE LIBERDADE. O número de articulações em um braço do robô é também referenciada como grau de liberdade. Quando o movimento relativo ocorre em um único eixo, a articulação têm um grau de liberdade. Quando o movimento é por mais de um eixo, a articulação têm dois graus de liberdade. A maioria dos robôs têm entre 4 a 6 graus de liberdade. Já o homem, do ombro até o pulso, têm 7 graus de liberdade. CLASSIFICAÇÃO DOS ROBÔS PELO TIPO DE ARTICULAÇÃO. É usual classificar os robôs de acordo com o tipo de junta, ou mais exatamente, pelas 3 juntas mais próximas da base do robô. Esta divisão em classes fornece informações sobre características dos robôs em várias categorias importantes: 1. Espaço de trabalho. 2. Grau de rigidez. 3. Extensão de controle sobre o curso do movimento. 4. Aplicações adequadas ou inadequadas para cada tipo de robô. Robôs podem ser classificados pelo tipo de juntas em cinco grupos: O código usado para estas classificações consiste em três letras, referindo-se ao tipo de junta ( R = revolução, P = deslizante - do inglês prismatic ) na ordem em que ocorrem, começando de junta mais próxima à base. Robôs Cartesianos. O braço destes robôs têm três articulações deslizantes sendo codificado como PPP. Robô Cartesiano
Os robôs cartesianos caracterizam pela pequena área de trabalho, mas com um elevado grau de rigidez mecânica e são capazes de grande exatidão na localização do atuador. Seu controle é simples devido ao movimento linear dos vínculos e devido ao momento de inércia da carga ser fixo por toda a área de atuação. Robôs Cilíndricos. Os braços destes robôs consistem de uma junta de revolução e duas juntas deslizantes, sendo codificada como RPP. Robô Cilíndrico A área de trabalho destes robôs são maiores que os robôs cartesianos, mas a rigidez mecânica é ligeiramente inferior. O controle é um pouco mais complicado que o modelo cartesiano, devido a vários momentos de inércia para diferentes pontos na área de trabalho e pela rotação da junta da base.
Robôs Esféricos. Estes robôs possui duas juntas de revolução e uma deslizante, sendo codificado como RRP. Robô Esférico Estes robôs tem uma área de trabalho maior que os modelos cilíndricos, mas perde na rigidez mecânica. Seu controle é ainda mais complicado devido os movimentos de rotação.
Robôs com Articulação Horizontal. Caracterizam-se por possuir duas juntas de revolução e uma deslizante, sendo codificados RRP. Robô com Articulação Horizontal A área de atuação deste tipo de robô é menor que no modelo esférico, sendo apropriados para operações de montagem, devido ao movimento linear vertical do terceiro eixo. Robôs com Articulação Vertical. Estes robôs caracterizam-se por possuir três juntas de revolução, sendo codificados por RRR. Robô com Articulação Vertical
Sua área de atuação é maior que qualquer tipo de robô, tendo uma baixa rigidez mecânica. Seu controle é complicado e difícil, devido as três juntas de revolução e devido à variações no momento de carga e momento de inércia. ROBÔS SCARA O exemplo mais comum de uma configuração não clássica é representado pelo robô tipo SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm (Braço Robótico para Montagem com Flexibilidade Seletiva). Esta configuração possui duas articulações rotacionais e uma prismática (RRP). Os eixos são paralelos entre si, sendo o prismático com deslocamento vertical. Assim o movimento linear está localizado no eixo Z e os movimentos de rotação são de roll (em torno de Z). Esta configuração foi desenhada para poder executar trabalhos que requerem movimentos simples de manipulação de peças sobre uma superfície plana, ESPAÇO DE TRABALHO É definido como o volume total formado pelo percurso do punho, quando o manipulador efetua todas as trajetórias possíveis. O volume dependerá da anatomia do robô, do tamanho dos elos, assim como dos limites dos movimentos das juntas.
A posição do punho pode ser representada no espaço de trabalho ou no ESPAÇO DAS JUNTAS. A "posição no espaço de trabalho" é determinada pela posição do punho segundo um sistema de três eixos cartesianos ortogonais, cuja origem é à base do robô. A "posição no espaço das juntas" é representada pelo vetor de coordenadas generalizadas, relativas a uma posição inicial arbitrária. COMPARAÇÃO DA ÁREA DE TRABALHO DOS ROBÔS. Nesta seção será feita uma análise matemática elementar para o calculo da capacidade dos robôs. As comparações são ilustradas na figura 11 e o calculo da área de trabalho segue-se após a mesma. Robôs Cartesianos - Alcançam qualquer ponto de um cubo de lado L. V = L * L * L Robôs Cilíndricos - alcançam qualquer ponto em um cilindro de altura L e raio 2L, exceto os pontos do cilindro interno de raio L e altura L. V = 9,42 * L * L * L Robôs Esféricos - alcançam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L, exceto a esfera interna de raio L. V = 29,32 * L * L * L Robôs de Articulação Horizontal - alcançam qualquer ponto de um cilindro de raio 2L e altura L. V = 12,56 * L * L * L Robôs de Articulação Vertical - Alcançam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L. V = 33,51 * L * L * L Dessa forma, os robôs possuem um progressivo aumento na sua área de atuação, indo do cartesiano até o de articulação vertical. Então, a razão entre a área relativa aos casos extremos é: Vav/Vc = 33,51 Isto significa que a área de trabalho de um robô com articulação vertical com 2 vínculos de tamanho L é 33,51 vezes maior que a área de trabalho do robô cartesiano com 3 vínculos de tamanho L.
CONVENIÊNCIA PARA TAREFAS PARTICULARES. A avaliação dos tipos de articulações e seu arranjo, permite ao projetista estimar a área de atuação do robô, rigidez mecânica e facilidade de controle do braço, possibilitando qual tarefa será mais apropriada para cada tipo de robô. O movimento das articulações capacitam o robô a mover seu atuador para qualquer ponto na sua área de atuação, mas não habilitando o controle da orientação do atuador no espaço; cuja importância não se restringe somente ao alcance da peça, mas também em conduzir o atuador a uma certa altitude em relação a peça. Essa tarefa pode ser realizada adicionando-se articulações para o pulso do braço, dando um maior grau de liberdade. A partir disso, o robô fica habilitado a realizar os seguintes movimentos: Pitch - movimento para cima e para baixo. Roll - movimento de rotação no sentido horário e anti-horário. Yaw - movimento para a esquerda e para a direita. CONSTRUÇÃO DOS VÍNCULOS. Um importante fator na construção dos vínculos é a carga que o mesmo suporta, o peso do próprio braço e o grau de rigidez do mesmo. Um braço pesado necessita de um motor maior, tornando o custo do robô mais elevado. Um braço de baixa rigidez reduz a precisão do robô devido às vibrações e resposta à tensão. Para aumentar a rigidez mecânica do braço sem aumentar seu peso, freqüentemente usa-se uma estrutura oca. A utilização deste tipo de estrutura tem uma melhor dureza quando comparada com uma construção maciça utilizando a mesma massa de material. Estruturas para a construção de vínculos DRIVER'S DE ACIONAMENTO DO BRAÇO DO ROBÔ. Existem vários tipos de Driver's que são classificados genericamente como: pela forma de movimento - Drivers de Rotação e de Deslizamento. pela forma de acionamento - Drivers Elétrico, Hidráulico, Pneumático
pela forma de conexão - Drivers Direto e Indireto Classificação pela forma movimento: Drivers de rotação e de deslizamento Driver de rotação - consiste em um motor, que quando conectado à sua fonte de energia, o eixo do motor responde em um movimento de rotação. Driver deslizante - consiste em um cilindro hidráulico ou pneumático. O movimento linear também pode ser produzido por um movimento rotativo usando correias ou hastes empurradas pelo motor, fazendo uma conversão de movimento rotativo em linear. Classificação pela forma acionamento: Drivers elétrico, hidráulico e pneumático Driver Elétrico Este tipo de driver utiliza motores elétricos que podem ser: motor de corrente contínua, motor de passo e motor de corrente alternada. Muitos robôs novos tem drivers de motor corrente contínua devido ao alto grau de precisão e simplicidade de controle do motor elétrico. As vantagens do driver elétrico: 1. Eficiência calculada, controle preciso. 2. Envolve uma estrutura simples e fácil manutenção. 3. Não requer uma fonte de energia cara. 4. Custo relativamente pequeno. As desvantagens: 1. Não pode manter um momento constante nas mudanças de velocidade de rotação. 2. Sujeitos a danos para cargas pesadas suficientes para parar o motor. 3. Baixa razão de potência de saída do motor e seu peso, necessitando um motor grande no braço. Driver hidráulico Esta unidade é composta de: motor de movimento rotativo e cilindro para movimento deslizante. A unidade de acionamento hidráulico provoca movimento em pistões que comprimem o óleo, como mostrado.
Unidade de acionamento hidráulico O controle é feito através de válvulas que regulam a pressão do óleo nas duas partes do cilindro e que impulsionam o pistão. As vantagens do driver hidráulico: 1. Momento alto e constante sob uma grande faixa de variação de velocidade. 2. Precisão de operação (menor que o elétrico e maior que o pneumático). O óleo não é compressível e não há variação de seu volume quando se varia a pressão. 3. Pode manter um alto momento para um longo período de tempo, quando parado. As desvantagens são: 1. Requer uma fonte de energia cara. 2. Requer uma manutenção cara e intensa. 3. Requer válvulas de precisão caras. 4. Está sujeito a vazamento de óleo. Driver pneumático Esta unidade é similar à hidráulica e é composto de: motores pneumáticos de movimento rotativo e cilindros pneumáticos de movimento deslizante. Na figura 13 pode-se considerar a mesma para acionamento pneumático, utilizando ar ao invés de óleo. Possui um alto grau de precisão nas paradas. São utilizados em
sistemas automáticos simples, mas pouco utilizado em robôs devido à alta compressibilidade, o que reduz a habilidade de realizar controle preciso. É muito utilizado em movimentos de agarramento, tanto para abrir como para fechar as garras. As vantagens do driver pneumático: 1. Podem operar em velocidades extremamente altas. 2. Custo relativamente pequeno. 3. Fácil manutenção. 4. Podem manter um momento constante em uma grande faixa de velocidade. 5. Pode manter alto o momento por longos períodos de tempo sem danos, quando parado. As desvantagens são: 1. Não possui alta precisão. 2. Esta sujeito a vibrações quando o motor ou cilindro pneumático é parado. O driver elétrico é melhor em aplicações envolvendo: Alta precisão de posição; Transferência de carga de tamanho pequeno e médio; Pequenas ambientes para sistemas de compressores de óleo e ar; O driver hidráulico trabalha melhor em situações envolvendo: Transferência de cargas pesadas ( de 2.000 pounds ou mais); De média para alta precisão na localização e velocidade; O driver pneumático é preferível em aplicações envolvendo: Baixa precisão; Necessidade de baixo custo; Altas velocidades; Transferências de pequenas e médias cargas. Classificação pela forma de conexão: Drivers Direto e Indireto. No caso do driver direto, o motor é montado diretamente na junta que ele irá mover. Se o motor é montado longe da junta, próximo da base, o driver é indireto; neste caso há elementos de transmissão como correntes, correias, diferenciais e engrenagens. As vantagens do driver indireto sobre o direto: 1. Redução do peso do braço mecânico; 2. Permite mudanças na velocidade de rotação das juntas. As desvantagens do driver indireto sobre o direto:
1. Falta de precisão da operação da junta devido a liberdade mecânica dos pontos de conexão entre os dispositivos de transferência; 2. Perdas consideráveis de potência. Driver s Lógico Firmeware É um dispositivo que simplifica a programação agindo como um tradutor que traduz os comandos do Sistema para o hardware, fazendo com que eles falem a mesma linguagem e consigam agir em conjunto. Em termos técnicos, ele traduz mensagens de programação de alto nível para comandos de baixo-nível, que é utilizado pela maioria dos dispositivos de hardware. O DriverScanner é uma aplicação simples de utilizar, mas de elevada capacidade, que permite a actualização de controladores de forma rápida e eficiente. Para comunicar com o hardware do computador, o Windows recorre a uma série de unidades de software de controlador produzidas pelos fabricantes dos dispositivos. O DriverScanner analisa o seu sistema à procura de controladores desactualizados e disponibiliza as versões mais recentes para instalação através de um único clique. Com conjuntos de controladores actualizados, o seu hardware pode funcionar com eficiência máxima, menos erros e melhor desempenho. ATUADORES O atuador (end effector) é todo um sistema montado na extremidade do vínculo mais distante da base do robô, cuja tarefa é agarrar objetos, ferramentas e\ou transferí-las de um lugar para outro. São exemplos de atuadores a pistola de solda, garras e pulverizadores de tintas. A operação do atuador é o objetivo final na operação de um robô, assim todos os demais sistemas (unidades drives, controles, etc.) são projetados para habilitar sua operação. O atuador é de extrema importância na execução de uma tarefa, portanto é necessário que o mesmo seje adequadamente projetado e adaptado as condições do seu meio e área de trabalho. Existem dois tipos de atuadores: Garras e Ferramentas. ATUADORES TIPO GARRA A garra é comparável a mão humana. No entanto, ela não é capaz de simular seus movimentos, resultando na limitação dos movimentos a uma faixa de operações. A grande demanda tem levado ao desenvolvimento de garras que
podem manusear objetos de diferentes tamanhos, formas e materiais. Estas garras são divididas em vários tipos de classe: Garra de dois dedos: É o tipo mais comum e com grande variedade. São diferenciados um do outro pelo tamanho e/ou movimento dos dedos, como o movimento paralelo ou o movimento de rotação. A principal desvantagem desta garra é a limitação da abertura dos seus dedos, restringindo, assim a sua operação em objetos cujo tamanho não exceda esta abertura máxima. Garra de movimento paralelo Garra com movimento de rotação
Garra de três dedos: São similares aos de dois dedos, porém permitem uma segurar objetos de forma circular, triangular e irregular com maior firmeza. Os dedos são articulados e formado por diversos vínculos. Garra para objetos cilíndricos: Garra de três dedos Consiste de dois dedos com vários semicírculos chanfrados, que permitem a garra segurar objetos cilíndricos de vários diâmetros diferentes. As principais desvantagens são: O seu peso que deve ser sustentado pelo robô durante a operação; A limitação de movimentos causada pelo comprimento da garra.
Garra para objetos frágeis: Garra para objetos cilíndricos São garras próprias para exercer um certo grau de força durante a operação de segurar algum corpo, sem causar algum tipo de dano ao mesmo. Ele é formado por dois dedos flexíveis, que se curvam para dentro, de forma a agarrar um objeto frágil; seu controle é feito por um compressor de ar. Garra para objetos frágeis
Garra articulada: São projetados para agarrar objetos de diferentes tamanhos e formas. Os vínculos são movimentados por pares de cabos, onde um cabo flexiona a articulação e o outro a estende. Sua destreza em segurar objetos de formas irregulares e tamanhos diferentes se deve ao grande número de vínculo. Garra articulada Garras a vácuo e eletromagnéticas: Garras a vácuo são projetados para prender uma superfície lisa durante a ação do vácuo. Estas garras possuem ventosas de sucção conectadas a bomba de ar comprimido, que predem superfícies como chapas metálicas e caixas de papelão. Para reduzir o risco de mal funcionamento devido a perda de vácuo, é comum usar mais do que uma ventosa de sucção. Garras eletromagnéticas são utilizados para segurar objetos que podem ser magnetizados (aço e níquel) através de um campo magnético. Estes objetos devem possuir um lugar específico na qual a garra passa atuar. Ambos os tipos de garras descritos acima são muito eficientes, uma vez que eles podem segurar objetos de vários tamanhos e não necessitam de grande precisão no posicionamento da garra.
Adaptador automático de garra: Garras a vácuo Surgiu da necessidade de se ter uma garra capaz de segurar todos os tipos de objetos. Então foi criado uma unidade chamada de automatic gripper changer, que é um adaptador que permite que uma garra seja rapidamente ligada ou removida do braço do robô. Restrições: Os adaptadores devem ser ligados ao braço do robô de um mesmo modo e deve conectar de maneira idêntica suas unidades de drive, se elétrica, mecânica ou pneumática. Desvantagens: 1. O peso adicional na extremidade do braço do robô; 2. Complicações tecnológicas são uma fonte potencial de mal
Funcionamento: 3. Acréscimo no custo do robô; 4. Tempo gasto na troca das garras. Diante destes fatos verifica-se que o desenvolvimento e produção de garras é um estágio importante no projeto de robôs para tarefas particulares. Normalmente, os fabricantes vendem robôs sem o atuador, as garras e as ferramentas são escolhidas e adaptadas pela equipe de engenharia que instala o robô no local de trabalho. Este é um estágio crítico da instalação, requerendo um alto nível de conhecimento e prática.