Atuadores em Robótica Profa. Michelle Mendes Santos michelle@cpdee.ufmg.br
Atuadores Indicadores Em robótica muitas vezes é necessário sinalizar um acontecimento ou situação importante. Essa sinalização é feita, geralmente por meio de lâmpadas, leds ou sinalização sonora.
Atuadores Lâmpadas e LEDs: Quando energizados, esses elemento produzem sinal luminoso. Apesar de não efetuarem trabalho em forma de movimento, são considerados atuadores por serem dispositivos de saída, ou seja, que recebem comandos do processador. Esses elementos são utilizados normalmente para indicar ao usuário o comportamento do sistema em resposta a determinado comando. Ex.: acender um led verde quando o robô está ligado; acender um led amarelo sempre que a bateria do robô estiver fraca, etc.
Atuadores Sinalizadores Sonoros: Quando energizados, esses dispositivos soam um alarme, indicando uma situação de alerta. Ex: soar um alarme sempre que o robô se distanciar mais de 2 metros do controle remoto, etc.
Atuadores Atuadores Hidráulicos: Os atuadores hidráulicos têm como objetivo gerar um movimento baseado na introdução de um líquido a alta pressão em um recipiente perfeitamente selado, onde se localiza uma haste ou o eixo. Os atuadores hidráulicos podem gerar: deslocamento linear (haste), ou rotativo (eixo).
Atuadores Hidráulicos 2.1. Pistão Hidráulico Os pistões hidráulicos têm um diafragma rígido com uma haste solidária dentro de um cilindro. Por um orifício é introduzido um fluido a alta pressão proveniente de uma bomba hidráulica. Este fluido, então, empurra ou puxa a haste com uma determinada força. Os pistões podem ser de dois tipos: de efeito simples ou de efeito duplo.
Atuadores Hidráulicos 2.2. Motor Hidráulico Os motores hidráulicos são dispositivos que geram um movimento de rotação em um eixo. Esse movimento é provocado pela circulação de um fluido pressurizado. Este tipo de motor tem a grande vantagem de ter um torque muito maior que os apresentados pelos motores elétricos de tamanhos similares.
Atuadores Pneumáticos Os atuadores pneumáticos são muito semelhantes aos hidráulicos, com a diferença de que o fluido utilizado não é líquido, mas ar comprimido. Existem tanto pistões quanto motores para gerar movimento linear ou rotativo.
Atuadores Pneumáticos Desvantagem: O controle de posição utilizando esses dispositivos de atuação se torna mais difícil devido à alta compressibilidade do ar, de forma que um aumento de carga, por exemplo, pode gerar movimento da haste mesmo sem alteração na quantidade de ar no pistão. Vantagem: possuem menor custo tanto em seus componentes quanto no fluido utilizado para gerar o movimento, que está disponível na atmosfera.
Motores Elétricos Os motores são dispositivos que transformam energia elétrica em energia mecânica. Essa energia mecânica é desenvolvida através da rotação de um eixo que gira com uma determinada velocidade e torque. A rotação desse eixo fornece movimento à planta ou a algumas das suas partes.
Motores Elétricos As rodas e os eixos dos robôs são geralmente impulsionadas por motores Tipos de motores: Passo, corrente contínua, universal, síncrono, indução. Motores de corrente contínua são os mais utilizados em robôs móveis de pequeno porte.
Motores Elétricos Exemplo: Um braço que tem três juntas de revolução, cada uma provocando uma rotação entre dois elos adjacentes, precisará de três motores para efetuar o movimento de cada junta em forma independente.
Motores Elétricos Os motores elétricos mais utilizados em robótica são: Motor de corrente contínua; Motor de passo; Servomotor.
Motores Elétricos Grandezas Físicas Envolvidas Potência, torque e velocidade são as três grandezas físicas básicas que devem ser consideradas na hora de escolher um motor segundo as condições do movimento a ser efetuado. Essas três grandezas são interdependentes, quer dizer, não é possível modificar uma sem afetar as outras duas.
Motores Elétricos Potência: A potência (P), é a energia mecânica entregue pelo motor por unidade de tempo, expressa em [Joules/segundo], ou equivalentemente, em Watts [W]. Existe uma outra unidade de potência mecânica utilizada em motores, que são os cavalos de potência [HP]. Um HP é igual a 746 W. P = (VI) ponderado pelo fator de potência do motor.
Motores Elétricos Torque: É a força de rotação do motor (τ). Corresponde à força exercida vezes a distância perpendicular do eixo de rotação à linha de ação dessa força. A unidade para o torque é [N.m].
Motores Elétricos Exemplo: Se o eixo do motor está acoplado a uma polia de 10 cm de raio, e através de uma corda pretende levantar um volume de 2 kg de massa, qual deverá ser o torque exercido pelo motor para levantar esse peso? F=mg τ =F d
Motores Elétricos Velocidade Angular: A velocidade angular (ω) é equivalente ao ângulo que gira o eixo por unidade de tempo, e é expressa em [º/s], [rad/s] ou [rpm].
Motores Elétricos Existe uma relação entre essas três grandezas físicas estudadas: potência, torque e velocidade angular. Quando estas são expressas segundo as unidades do sistema internacional (isto é, W, N.m, e rad/seg., respectivamente), a potência é uma constante igual ao torque vezes a velocidade. P = τ.ω
Motores Elétricos Exemplo: Se a potência elétrica entregue ao motor é de 5W, e o fator de potência, ou relação entre a potência mecânica desenvolvida no eixo e a potência elétrica entregue, é de 0,8, então, a potência mecânica desenvolvida é de 4W. Como o torque exercido no exemplo é de 2 Nm, então a velocidade angular será de ω =P/τ =4W/2Nm=2rad/seg. Se o torque aumentar dez vezes (20Nm), a velocidade passa a ser ω = P/τ =4W/20Nm=0,2rad/seg.
Motor de corrente contínua
Motor de corrente contínua
Motor de corrente contínua
Motor de corrente contínua
Motores de Passo Os motores de passo são um tipo particular de motor muito utilizado, principalmente em periféricos de computador; Estes propiciam a saída em forma de incrementos angulares discretos, controlados por impulsos elétricos do sinal de alimentação; cada pulso se corresponde com um ângulo fixo de rotação.
Motores de Passo Sentido Horário
Motores de Passo Sentido Anti-horário
Motores de Passo
Motores de Passo A principal vantagem desses motores é que eles podem ser utilizados em malha aberta, pois o controlador pode conhecer exatamente a posição do eixo com respeito a uma referência, sendo apenas necessário fornecer a quantidade de pulsos requerida para o eixo girar uma quantidade determinada de passos.
Motores de Passo Em robótica, os motores de passo são utilizados para aplicações de serviços relativamente leves, pois não têm grande torque em comparação com o volume deles. Quando o torque exigido vai além do que o motor pode suportar, o mais comum é que o eixo não gire, perca passos, fato que em malha aberta provoca a perda do conhecimento da posição do eixo por parte do controlador. Uma vantagem destes motores com respeito aos de corrente contínua, é que quando estão fixos numa determinada posição têm um torque de retenção elevado, o que não acontece durante o movimento.
Motores de Passo A velocidade de rotação do eixo é função exclusivamente do tempo entre passos determinado pelo controlador; Em função dessa velocidade será o torque máximo que o eixo pode suportar a fim de não perder passos. O torque máximo é obtido quando o motor está parado.
Servo-motores Os servos-motores não constituem em si mesmos um tipo diferente de motor, mas serão tratados de forma particular por constituírem uma das configurações mais utilizadas em robótica. Trata-se de um motor, em geral de corrente contínua com um sensor de posição ou de velocidade que permite ao controlador conhecer essas grandezas físicas e assim controlá-las.
Servo-motores
Servo-motores Em muitos casos, os servos-motores de posição comerciais exigem como entrada de referência um sinal pulsado, onde a largura do pulso é proporcional à posição desejada. Este tipo de sinal é conhecido como sinal modulado por largura do pulso (PWM). O controlador dedicado, que é constituído por um circuito integrado, tem um filtro passa-baixas para determinar o valor médio desse sinal, que será proporcional à largura do pulso, e portanto esse valor médio terá uma amplitude proporcional à posição desejada. A partir daí, é comparada com a amplitude do sinal do potenciômetro para determinar o erro.