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 Atuadores em Robótica

Profa. Michelle Mendes Santosmichelle@cpdee.ufmg.br

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 Atuadores

Indicadores

Em robótica muitas vezes é necessáriosinalizar um acontecimento ou situaçãoimportante.

Essa sinalização é feita, geralmente por meiode lâmpadas, leds ou sinalização sonora.

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 Atuadores

Lâmpadas e LEDs: Quando energizados, esses elemento produzem sinalluminoso. Apesar de não efetuarem trabalho em forma de

movimento, são considerados atuadores por serem

dispositivos de saída, ou seja, que recebem comandos doprocessador.

Esses elementos são utilizados normalmente para indicarao usuário o comportamento do sistema em resposta adeterminado comando. Ex.: acender um led verde quandoo robô está ligado; acender um led amarelo sempre que abateria do robô estiver fraca, etc.

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 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.

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 Atuadores

Atuadores Hidráulicos: Os atuadores hidráulicos têm como objetivo gerar

um movimento baseado na introdução de umlíquido a alta pressão em um recipiente

perfeitamente selado, onde se localiza uma hasteou o eixo. Os atuadores hidráulicos podem gerar:

deslocamento linear (haste), ou rotativo (eixo).

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 Atuadores Hidráulicos

2.1. Pistão Hidráulico

Os pistões hidráulicos têm um diafragma rígido com umahaste solidária dentro de um cilindro. Por um orifício éintroduzido um fluido a alta pressão proveniente de umabomba 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.

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 Atuadores Hidráulicos

2.2. Motor Hidráulico

Os motores hidráulicos são dispositivos quegeram um movimento de rotação em um eixo.Esse movimento é provocado pela circulação deum fluido pressurizado.

Este tipo de motor tem a grande vantagem de terum torque muito maior que os apresentados pelosmotores elétricos de tamanhos similares.

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 Atuadores Pneumáticos

Os atuadores pneumáticos são muito

semelhantes aos hidráulicos, com a diferençade que o fluido utilizado não é líquido, mas arcomprimido. Existem tanto pistões quanto motores paragerar movimento linear ou rotativo.

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 Atuadores Pneumáticos

Desvantagem: O controle de posição utilizando

esses dispositivos de atuação se torna maisdifícil devido à alta compressibilidade do ar, deforma que um aumento de carga, por exemplo,pode gerar movimento da haste mesmo semalteração na quantidade de ar no pistão.

Vantagem: possuem menor custo tanto em seuscomponentes quanto no fluido utilizado para

gerar o movimento, que está disponível naatmosfera.

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Motores Elétricos

Os motores são dispositivos que

transformam energia elétrica em energiamecânica.

Essa energia mecânica é desenvolvidaatravés da rotação de um eixo que gira comuma determinada velocidade e torque.

A rotação desse eixo fornece movimento àplanta ou a algumas das suas partes.

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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.

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Motores Elétricos

Exemplo: Um braço que tem três juntas de revolução,

cada uma provocando uma rotação entredois elos adjacentes, precisará de trêsmotores para efetuar o movimento de cada junta em forma independente.

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Motores Elétricos

Os motores elétricos mais utilizados em

robótica são: Motor de corrente contínua; Motor de passo; Servomotor.

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Motores Elétricos

Grandezas Físicas Envolvidas Potência, torque e velocidade são as três

grandezas físicas básicas que devem serconsideradas na hora de escolher um motor

segundo as condições do movimento a serefetuado. Essas três grandezas são interdependentes, quer

dizer, não é possível modificar uma sem afetar asoutras duas.

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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.

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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].

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Motores Elétricos

Exemplo: Se o eixo do motor está acoplado

a uma polia de 10 cm de raio, eatravés de uma corda pretende

levantar um volume de 2 kg demassa, qual deverá ser o torqueexercido pelo motor para levantaresse peso?

 F =mg 

  τ =F ·d 

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Motores Elétricos

Velocidade Angular: A velocidade angular (ω) é equivalente ao ângulo

que gira o eixo por unidade de tempo, e éexpressa em [º/s], [rad/s] ou [rpm].

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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 potênciaé uma constante igual ao torque vezes avelocidade.

P = τ.ω

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Motores Elétricos

Exemplo:

Se a potência elétrica entregue ao motor é de 5W, e ofator de potência, ou relação entre a potênciamecânica desenvolvida no eixo e a potência elétricaentregue, 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), avelocidade passa a ser ω = P  / τ=4W/ 20Nm =0,2rad/seg.

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Motor de corrente contínua

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Motor de corrente contínua

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Motor de corrente contínua

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Motor de corrente contínua

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Motores de Passo

Os motores de passo são um tipo particular

de motor muito utilizado, principalmente emperiféricos de computador; Estes propiciam a saída em forma de

incrementos angulares discretos, controladospor impulsos elétricos do sinal dealimentação; cada pulso se corresponde comum ângulo fixo de rotação.

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Motores de Passo

Sentido Horário

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Motores de Passo

Sentido Anti-horário

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Motores de Passo

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Motores de Passo

A principal vantagem desses motores é que

eles podem ser utilizados em malha aberta,pois o controlador pode conhecerexatamente a posição do eixo com respeito a

uma referência, sendo apenas necessáriofornecer a quantidade de pulsos requeridapara o eixo girar uma quantidade

determinada de passos.

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Motores de Passo

Em robótica, os motores de passo são utilizadospara aplicações de serviços relativamente leves,

pois não têm grande torque em comparação com ovolume 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 aperda do conhecimento da posição do eixo porparte do controlador.

Uma vantagem destes motores com respeito aos decorrente contínua, é que quando estão fixos numadeterminada posição têm um torque de retençãoelevado, o que não acontece durante o movimento.

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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 eixopode suportar a fim de não perder passos.O torque máximo é obtido quando o motor está parado.

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Servo-motores

Os servos-motores não constituem em si

mesmos um tipo diferente de motor, masserão tratados de forma particular porconstituírem uma das configurações maisutilizadas em robótica.

Trata-se de um motor, em geral de correntecontínua com um sensor de posição ou develocidade que permite ao controladorconhecer essas grandezas físicas e assimcontrolá-las.

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Servo-motores

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Servo-motores

Em muitos casos, os servos-motores de posiçãocomerciais exigem como entrada de referência um sinal

pulsado, onde a largura do pulso é proporcional àposição desejada.

Este tipo de sinal é conhecido como sinal modulado porlargura do pulso (PWM).

O controlador dedicado, que é constituído por umcircuito integrado, tem um filtro passa-baixas paradeterminar o valor médio desse sinal, que será

proporcional à largura do pulso, e portanto esse valormédio terá uma amplitude proporcional à posiçãodesejada.

A partir daí, é comparada com a amplitude do sinal do

potenciômetro para determinar o erro.