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Robótica IndustrialAula 1 - Introdução

Daniel Moutinho [email protected]

Ementa / Atividades

Conceitos Básicos

Histórico

Vantagens e Desvantagens da Automação

Conteúdo

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Ementa / Atividades

CURSO: Engenharia de Controle e Automação

SÉRIE: 9º/10º Semestres

DISCIPLINA: Robótica Industrial

CARGA HORÁRIA SEMANAL: 4 Horas/Aula

Dados da Disciplina

EmentaRobótica, inteligência artificial..

Objetivos GeraisConceitos de robótica: emprego, descrição, anatomia e controle de robôs industriais.Introdução à inteligência artificial e sistemas especialistas.

Ementa

Objetivos EspecíficosUso de técnicas de linguagens de inteligência artificial.Aplicações dos robôs. Visão artificial.

Conteúdo ProgramáticoRobótica, mercado e impactos sociais e econômicos.Anatomia de robôs e sistemas de acionamento e controle.Órgãos terminais e sensores.Aplicações da inteligência artificial.

Inteligência artificial – linguagens e técnicas.Sistemas especialistas – controle inteligente.

Visão computacional.

Ementa

Provas NP1 e NP2

Prova SUB - Toda a matéria do semestre

Exame - Toda a matéria do semestre

Avaliações

Atividades

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Conceitos Básicos

Conceitos Básicos

RobóticaCiência ou tecnologia associada com o projeto, fabricação, teoria e aplicações de robôs.Confluência de ciências que utilizam os contínuos avanços da engenharia mecânica, ciências dos materiais, fabricação de sensores, técnicas de manufatura, algoritmos avançados, computação e engenharia eletrônica.

Robótica industrialEstudo dos manipuladores robóticos também conhecidos por robôs industriais.

Conceitos Básicos

RobôsDispositivo mecatrônico com autonomia que executa tarefas sem o controle humano momento a momento.

Origem do termo robôVem da palavra eslava robota que significa trabalhos forçados e teve sua divulgação inicial em uma peça de Karel Capek em 1921

Conceitos BásicosComponentes robóticos

Dispositivos eletromecânicos pré-programáveis para execução de uma variedade de funções.Componentes que fazem parte de um dispositivo mecatrônico.

SensoresDetectam o estado do meio.

AtuadoresModificam o estado do meio

Sistemas de controleControlam os atuadores a partir de dados dos sensores.

Conceitos BásicosRobôs

Do dicionário Webster - robô é um dispositivo automático que executa funções normalmente atribuídas a humanos ou uma máquina com a forma de um humano.

De Eshed Robotics, 1984 - robô é um braço mecânico; um manipulador concebido para realizar muitas tarefas diferentes e ser capaz de ser programado sucessivamente. Para realizar as tarefas atribuídas, o robô move componentes, objetos, ferramentas e outros dispositivos especiais por meio de movimentos e pontos pré-programados


De P. McKerrow, 1984 - robô é uma máquina que pode ser programada para realizar uma variedade de tarefas, do mesmo modo que um computador é um circuito eletrônico que pode ser programado para fazer uma variedade de tarefas.

Do Instituto de Robô da América - é um manipulador multifuncional programável, projetado para mover materiais, componentes, ferramentas ou dispositivos especiais através de movimentos programáveis variáveis para a execução de uma variedade de tarefas.


Da Standard International, ISO 8373, 1994 - Robô industrial manipulador – controlado automaticamente, manipulador multi proposta reprogramável, programável em três ou mais eixos, que pode ser tanto fixo em um local ou móvel, de uso em aplicações de automação industrial. Os robôs incluem – o manipulador e sistema de controle (HW e SW).

Conceitos BásicosRobótica é a disciplina que envolve:

O projeto, construção, controle e programação de robôs.O uso de robôs para resolver problemas.O estudo dos processos de controle, sensores e algorítimos usados em humanos, animais e máquinas.A aplicação destes processos de controle e destes algorítimos para o projeto de robôs.

Conceitos Básicos

O termo robótica é utilizado para denotar a disciplina associada ao uso e programação de robôs.

O termo Engenharia Robótica refere-se à construção de robôs e dispositivos robóticos.

Nem todos os sistemas automáticos são robôsOs sistemas automáticos de funções fixas, como alguns brinquedos com mobilidade ou mesmo uma máquina de comando numérico não são considerados robôs.Para ser considerado robô deverá ter capacidade de programação e de alguma adaptação ao problema prático.

Conceitos BásicosDepois do final da segunda guerra surgiu uma demanda pelos consumidores por produtos cada vez mais sofisticados e com um ciclo de vida mais curto.

A produção desses vários produtos em contínua evolução provocou uma redução na produtividade dos parques fabris, o que tem demandado um aumento na automação das linhas de produção.

Conceitos BásicosA mecatrônica surge nos países industrializados para suprir as necessidades de aumento de competitividade em vários ramos da atividade econômica.

Plantas fabris vem se modificando rapidamente nos últimos anos em busca do aumento da produtividade e de um melhor uso dos recursos disponíveis.

Necessidade de adaptação rápida do parque fabril a produção de novos produtos e a evolução rápida dos existentes.

Conceitos Básicos

Essas mudanças no mercado provocam uma maior integração dos negócios associados ao processo produtivo, que cobrem desde a aceitação da encomenda do cliente, passando pela produção propriamente dita, até a entrega do produto.

Para lidar com essas mudanças foi necessário aumentar o nível de automação do processo produtivo, da cadeia de venda e entrega dos produtos e do seu desenvolvimento e planejamento.

Conceitos Básicos

Surge um novo conceito de automação industrial que incide sobre o processo produtivo e sobre os serviços associados a ele.

A mudança no parque fabril demanda do engenheiro uma formação atualizada por meio do contato crescente com conceitos e técnicas avançadas de automação.

A automação industrial evolui para uma disciplina multidisciplinar integrativa de várias áreas do saber só com o objetivo de se obter sistemas produtivos eficientes, ágeis e flexíveis.

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Histórico

Histórico

HistóricoDesenvolvimento da Automação

As primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram na pré-história com invenções como a roda, o moinho movido por vento ou força animal e as rodas d'água.

A automação só ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produção agrário e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segunda metade do século XVIII, inicialmente na Inglaterra.

Os sistemas inteiramente automáticos surgiram no início do século XX, entretanto, bem antes disso foram inventados dispositivos simples e semi-automáticos.


Devido à necessidade de aumentar a produção e a produtividade, surgiram uma série de inovações tecnológicas:

Máquinas modernas, capazes de produzir com maior precisão e rapidez em relação ao trabalho feito à mão.

Utilização de fontes alternativas de energia, como o vapor, em substituição às energias hidráulica e muscular.

Em 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo do vapor em locomotivas. Isto pode ser considerado um dos primeiros sistemas de controle com realimentação e regulador e consistia num eixo vertical com dois braços próximos ao topo, tendo em cada extremidade uma bola pesada. Com isso, a máquina funcionava de modo a se regular sozinha, automaticamente, por meio de um laço de Realimentação.


Inovações tecnológicas:Em 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo do vapor em locomotivas. Isto pode ser considerado um dos primeiros sistemas de controle com realimentação e regulador e consistia num eixo vertical com dois braços próximos ao topo, tendo em cada extremidade uma bola pesada. Com isso, a máquina funcionava de modo a se regular sozinha, automaticamente, por meio de um laço de Realimentação.


Inovações tecnológicas:

A partir de 1870, a energia elétrica passou a ser utilizada e a estimular indústrias como a do aço, a química e a de máquinas-ferramenta e o setor de transportes progrediu bastante graças à expansão das estradas de ferro e à indústria naval.

No século XX, a tecnologia da automação passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores programáveis. Os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação atual. Encontramos exemplos de sua aplicação praticamente em todas as áreas do conhecimento e da atividade humana, por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar um simples extrato.

HistóricoDesenvolvimento do Computador

George Boole desenvolveu a álgebra booleana, que contém os princípios binários, posteriormente aplicados às operações internas de computadores.

Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador eletrônico de grande porte, o ENIAC, ocupava mais de 180 m2 e pesava 30 t. Funcionava a válvulas e relês e consumia 150.000 W de potência, realizava cerca de 5.000 cálculos por segundo (1ª geração).A 2ª geração utiliza transistores (1952). Estes componentes consomem menos energia e são mais confiáveis. Seu tamanho é cem vezes menor que o da válvula (computadores menores).

HistóricoDesenvolvimento do Computador

Com o desenvolvimento tecnológico, foi possível colocar milhares de transistores numa pastilha de silício de 1 cm2 (CI), que deram origem à 3ª geração de computadores, com redução significativa de tamanho e aumento da capacidade de processamento.Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI). Os chamados chips constituíram a 4ª geração. Foram então criados os computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação. Nos últimos quarenta anos, enquanto o ENIAC fazia apenas 5 mil cálculos por segundo, um chip atual faz 50 milhões de cálculos no mesmo tempo.

HistóricoDesenvolvimento da teoria de controle e análise dinâmica

Anos 60 começou a ser aplicada em plantas industriais (desenvolvida inicialmente por engenheiros eletricistas e aeroespaciais)

Anos 70 e 80 a teoria de controle evoluiu para a melhoria e refinamento do controle.

Com o aumento na capacidade de processamento foram desenvolvidos algorítimos com capacidade de realizar o controle de forma digital (Controle Digital Direto) e métodos para identificação, otimização, controle avançado e controle estatístico dos processos.

Histórico

Desenvolvimento da teoria de controle e análise dinâmicaAnos 90 um novo incremento na capacidade de processamento fez com que as técnicas de controle se voltassem para a aplicação da inteligência artificial no controle de processos industriais.

Foram desenvolvidos sistemas especialistas, controladores baseados em lógica difusa e em redes neurais.


Lógica de Aristóteles (clássica) - Baseada em premissas e conclusões, por exemplo: se é observado que "todo ser vivo é mortal" (premissa 1), a seguir é constatado que "Sarah é um ser vivo" (premissa 2), como conclusão temos que "Sarah é mortal". A lógica Ocidental, assim chamada, tem sido binária, isto é, uma declaração é falsa ou verdadeira, não podendo ser ao mesmo tempo parcialmente verdadeira e parcialmente falsa.

Histórico

•Nos anos 90 um novo incremento na capacidade de processamento fez com que as técnicas de controle se voltassem para a aplicação da inteligência artificial no controle de processos industriais.

•Foram desenvolvidos Sistemas especialistas, controladores basados em lógica difusa e em redes neurais.


Lógica Difusa (Fuzzy Logic) - Viola as suposições da lógica clássica. Muitas das experiências humanas não podem ser classificadas simplesmente como verdadeiras ou falsas, sim ou não, branco ou preto. Por exemplo, é aquele homem alto ou baixo? Um sim ou um não como resposta a esta questão é, na maioria das vezes, incompleta.

Suporta os modos de raciocínio que são aproximados, ao invés de exatos, como estamos naturalmente acostumados a trabalhar.

Histórico

•Nos anos 90 um novo incremento na capacidade de processamento fez com que as técnicas de controle se voltassem para a aplicação da inteligência artificial no controle de processos industriais.

•Foram desenvolvidos Sistemas especialistas, controladores basados em lógica difusa e em redes neurais.

Histórico

Desenvolvimento da teoria de controle e análise dinâmicaRedes neurais - São sistemas computacionais estruturados numa aproximação à computação baseada em ligações. Nós simples (ou neurônios, processadores ou unidades) são interligados para formar uma rede de nós. Esta técnica é baseada nas estruturas do cérebro, em particular do exame de neurônios.

HistóricoDesenvolvimento dos instrumentos e equipamentos para controle de processos

Início do século – instrumentos mecânicos, quando o controle era realizado localmente.

Anos 40 – instrumentos pneumáticos permitiam a transmissão dos sinais das variáveis de processo a distância, permitindo em uma única área a concentração dos controladores, origem das salas de controle.

HistóricoDesenvolvimento dos instrumentos e equipamentos para controle de processos

Anos 50 e 60 – instrumentos eletrônicos analógicos permitiam a simplificação e o aumento das distâncias para transmissão dos sinais.

Anos 70 e 80 – sistemas digitais elevaram o grau de automação.

Os transdutores inicialmente baseados em tubos bourdon, dispositivos mecânicos e pneumáticos, evoluíram até a utilização de transdutores baseados em ultrassom e elementos radioativos emissores de raios gama.

HistóricoDesenvolvimento dos Robôs

Anos 60 – lançados os primeiros robôs industriais, seu preço era muito alto e pouquíssimas empresas tinha acesso a eles, todas localizadas nos países desenvolvidos (EUA e Japão).

A partir de 1976 os preços começaram a cair de forma acelerada.

A microeletrônica foi a principal responsável pela queda de preços na informática e robótica.

A evolução dos microprocessadores influenciaram diretamente a capacidade de todas as máquinas industriais, aumentando a capacidade de processamento de informações.

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Vantagens e Desvantagensda Automação

Vantagens da Automação

Grandes incrementos na produtividade do trabalho aumentando a produção;

Melhora na qualidade do produto, ao uniformizar a produção e evitar perdas e refugos;

Incremento na rentabilidade dos investimentos;

Flexibiliza o processo de fabricação, permitindo que a produção siga as tendências do mercado, evitando estoques de produtos invendáveis.

Vantagens da Automação

Menor demanda de contratação de mão-de-obra;

Operação em ambientes difíceis e perigosos ou em tarefas desagradáveis e repetitivas;

Capacidade de trabalho por longos períodos sem interrupção;

Solução confiável e robusta que desempenha com consistência as funções predeterminadas.

Desvantagens da Automação

Custo de aquisiçãoAuto custo inicial é o principal fator que limita a adoção em massa de sistemas robotizados na industria;

Tempo de recuperação do investimento depende dos custos de compra, instalação, operação e manutenção. Não é um tempo fixo e depende da fábrica onde o robô será instalado e de sua aplicação;

Preço de um robô depende de suas dimensões, sofisticação, precisão e confiabilidade.


Custo de aquisiçãoCondições que devem ser consideradas na especificação de sistemas automatizados:

Número de empregados que serão substituídos;

Número de turnos por dia;

Produtividade comparada ao custo

Custo de projeto, operação e manutenção

Custo dos equipamentos periféricos


Impacto socialO emprego da robótica nas indústrias é parte do mesmo movimento que nos últimos anos aumentou a automatização dos bancos, do comércio e das empresas em geral e que é resultado do surgimento da informática;

Desemprego, reconversão e treinamento de pessoal, redução das horas de trabalho e aumento de salários em atividades de maior produtividade;

O aprendizado, memória e movimentos do robô são limitados se comparados aos dos seres humanos.


Impacto social


Impacto socialIndústrias adotam robôs e computadores pela necessidade de sobreviver no mercado, a fim de conquistar, com baixos custos, maior produtividade e qualidade assegurando assim competitividade ante os concorrentes;um robô, as vezes, substitui dezenas ou até centenas de trabalhadores numa linha de produção;A queda nos custos dos robôs tem levado a substituição de trabalhadores por máquinas até em países do terceiro mundo, onde a mão-de-obra é barata;Empresas multinacionais que se instalaram em países do terceiro mundo estão retornando aos seus países de origem para produzirem nestes locais utilizando robôs


Impacto socialNo Japão, em dez anos, a produção de automóveis quadruplicou com o mesmo número de operários;

Um estudo mostrou que no início de 1981 havia no Japão aproximadamente 25.000 robôs com um valor médio de $ 17 mil e expectativa de vida de seis anos. Assumindo-se que cada um trabalhe 22 horas por dia durante sete dias por semana, ao final dos seis anos terá trabalhado 48 mil horas. Isso equivale ao trabalho de um operário médio ao longo de 30 anos ao custo anual de $ 13 mil (30 x 13 mil = 390 mil).


Impacto social


Minimização do impacto socialAdoção pelos governos de programas gratuitos de educação em todos os níveis o que aumentaria a capacitação das pessoas para a descoberta de novas formas de utilização dos robôs e invenção de novos serviços e produtos;

Cobrar impostos das empresas que obtiveram ganhos em produtividade, devido à automatização, para a criação de empregos públicos nas áreas de saúde e educação;

Redução da jornada de trabalho.

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