apostila de robótica

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1 Universidade Braz Cubas rea de Cincias Exatas Engenharia Mecnica Engenharia de Controle e Automao Apostila de

Robtica Prof. Valdemir Carrara www.valcar.net www.carrara.us 3Robtica Prof. Valdemir Carrara ndice Cap. 1 Introduo Cap. 2 Automao da produo 2.1 - Histria da robtica2.2 - Automao Cap. 3 Fundamentos da Tecnologia de Robs 3.1 - Nomenclatura3.2 Anatomia dos braos mecnicos industriais 3.2.1 Juntas 3.2.2 Graus de liberdade 3.2.3 Cadeias cinemticas 3.3 Configurao dos robs 3.3.1 - Rob cartesiano 3.3.2 - Rob cilndrico 3.3.3 - Rob esfrico ou polar 3.3.4 - Rob SCARA 3.3.5 - Rob articulado ou revoluto 3.3.6 - Rob paralelo 3.4 rgo terminal3.5 Sensores3.5.1 Sensor de posio 3.5.2 Sensor de toque 3.5.3 Sensor de presso 3.6 Sistemas de acionamento3.6.1 Acionadores hidrulicos 3.6.2 - Acionadores eltricos 3.6.2.1 - Servomotores 3.6.2.2 Motor de passos3.6.3 - Acionadores pneumticos 3.7 Mtodos de acionamento3.8.1 - Acionamento indireto 3.8.2 - Acionamento direto 3.8 - Volume de trabalho 3.9 - Dispositivos de entrada para manipuladores 3.10 - Sistema de Controle 3.11 - Programao de robs 3.12 - Dinmica do brao robtico3.12.1 - Preciso dos movimentos 3.13 Transmisso de potncia 3.14 - Preciso cartesiana em juntas robticas Cap. 4 Cinemtica e dinmica de manipuladores 4 4.1 Manipulador RR em movimento plano 4.2 Manipulador RRR em movimento plano 4.3 Manipulador RLR em movimento plano 4.4 Manipulador TRR em movimento no espao 4.5 Manipulador TRL:R em movimento no espao 4.6 Manipulador VVL:R em movimento no espao Cap. 5 Notao de Denavit-Hartenberg 5.1 - Sistemas de coordenadas da base e do rgo terminal. 5.2 - Matriz de transformao entre os sistemas n1 e n. 5.3 Exemplo de aplicao num manipulador VVR:VR. Apndice A Trigonometria A.1 - Semelhana de tringulos A.2 - Teorema de Pitgoras A.3 - Seno, co-seno e tangente A.4 - Complementos de ngulos A.5 - Soma e diferena de ngulos A.6 - Lei dos senos A.7 - Lei dos co-senos Apndice B Transformaes de coordenadas B.1 Rotaes de coordenadas B.2 Rotaes ao redor dos eixos cartesianos B.3 Translaes de coordenadas B.4 Transformaes compostas B.5 Transformaes homogneas B.6 Relaes inversas B.7 Matriz homognea da transformao composta Apndice C Alfabeto grego 571 - Introduo Esta apostila foi preparada para propsitos das disciplinas de Robtica e Princpios de Robtica,doscursosdeEngenhariaMecnicaeEngenhariadeControleeAutomaoda Universidade Braz Cubas. A bibliografia utilizada baseada nos livros clssicos da rea, entre os quais citam-se: Groover,M.P.;Weiss,M.;Nagel,R.N.;Odrey,N.G.Robtica.Tecnologiae Programao. McGraw-Hill, So Paulo, 1989. (Edio esgotada). (1)* AdadeFilho,A.FundamentosdeRobtica:Cinemtica,DinmicaeControlede ManipuladoresRobticos.ApostilapublicadapeloITA-CTA.SoJosdosCampos, 1992. Groover, M. P.; Weiss, M.; Nagel, R. N.; Odrey, N. G. Industrial Robotics: Technology, Programming, and Applications. McGraw-Hill Higher Education, 1986. Craig,J.J.IntroductiontoRobotics:MechanicsandControl(2ndEdition).Addison-Wesley, 1989. Asada, H.; Slotine, J.-J. E. Robot Analysis and Control. John Wiley and Sons, New York, 1986. Salant, M. A. Introduo Robtica. So Paulo, SP: Makron Books, 1988. (1)* Fu,K.S.Robotics:Control,Sensing,VisionandInteligence.McGrall-Hill,NewYork, 1987. (1)* Bolton, W. Engenharia de controle. So Paulo, SP: Makron Books,1995. Igualmente importantes so as referncias encontradas em grande nmero na Internet. De especial interesse so aquelas publicadas em portugus: Laus,LusPaulo-CentroFederaldeEducaoTecnolgicadoParan-Departamento Acadmico de Mecnica - rea de Automao - http://dexter.damec.cefetpr.br/~laus/ Partedestedocumentofoiextradadotrabalhodegraduaodosalunosmerson Teruhiko Watanabe e Flvia Moreira dos Santos: Watanabe,E.T.;Santos,F.M.Estudodacinemticainversaaplicadanumbrao robtico. Universidade Braz Cubas, Mogi das Cruzes, 2006. 8 Boapartedasinformaestcnicasarespeitoderobsindustriaspodehojeser acessadapelaredemundialdecomputadores.Seguemalgunsendereosseparadospor categoria: Fabricantes Adept Technologyhttp://www.adept.com/ Asea Brown Boveri (ABB) - http://www.abb.com/ BMI Automation - http://www.bmiauto.com/ Denso Robotics - http://www.densorobotics.com/ Epson Robots - http://www.robots.epson.com/ Fanuc Robotics - http://www.fanucrobotics.com/ Hyundai Robotics - http://www.hyundairobotics.com/ IGM -http://www.igm.at/ Innovative Robotics - http://www.innovativerobotics.com/ Intelligent Actuator -http://www.intelligentactuator.com/ Janome Industrial Equipment - http://www.janomeie.com/ Kawasaki Robotics -http://www.kawasakirobotics.com/ Kuka Industrial Robots - http://www.kuka.com/ Nachi Robotic Systems - http://www.nachirobotics.com/ Panasonic Industrial - http://www.panasonic-industrial.com/ Reis Robotics - http://www.reisrobotics.de/ RMT Robotics - http://www.rmtrobotics.com/ Sankyo - http://www.nidec-sankyo.co.jp/ Stubli Robotics - http://www.staubli.com/ Transbotics - http://www.transbotics.com/ Yamaha - http://www.yamaha-motor.co.jp/global/industrial/robot/ Yaskawa Motoman -http://www.motoman.com/ Educacionais Intelitek - http://www.intelitek.com/ Neuronics AG - http://www.neuronics.ch/ ST Robotics -http://strobotics.com/ Tim King Electronics - http://www.timkingelectronics.com/ Robtica DMOZ -http://dmoz.org/Computers/Robotics/ Industrial Electricity - http://www.industrial-electricity.com/ Wikipedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_robot 92 Automao da produo Estecaptulovisaapresentardemaneirasucintaodesenvolvimentodarobticaeos conceitos envolvidos com automao de processos produtivos industriais. 2.1 - Histria da robtica Oprecursordotermorob(Groover,1988)foiKarelCapek,novelistaeescritorde umapeateatraldaTchecoslovquia,queusoupelaprimeiravez,em1920,apalavra robota(serviocompulsrio,atividadeforada)originandoapalavraroboteminglse traduzido para o portugus como rob. Diversos filmes de fico cientifica mostraram robs produzidoscomocomportamentoeaformahumana,levandomuitosjovensapesquisare desenvolverrobsparaomundoreal.Comosurgimentodoscomputadoresnametadedo sculo,iniciaram-seespeculaesemtermosdacapacidadedeumrobpensareagircomo umserhumano.Noentanto,osrobsforam,nesteperodo,criadosespecialmentepara executarem tarefas difceis, perigosas e impossveis para um ser humano. Por outro lado, eles noeramprojetadoscomacapacidadedecriarouexecutarprocessosquenolhesforam ensinados ou programados. Assim sendo, foram as indstrias que mais se beneficiaram com o desenvolvimentodarobtica,aumentandoaproduoeeliminandotarefasperigosas,antes executadas por seres humanos. Narobticamoderna,hpesquisasedesenvolvimentosderobsintitulados humanidesouantropomrficos.Estessocriadoscomasemelhanahumanaecom capacidade de interagircom o ambiente, como oAsimo construdo pelamontadora japonesa HondaMotorCo.Citam-seaindadiversosbrinquedosarticuladoscomfeiesquelembram animais de estimao como ces, por exemplo, e que se destinam ao entretenimento. Contudo, tais robs so incapazes de realizar quaisquer tipos de tarefas, e apenas respondem a estmulos externos.Estesequipamentosnofazempartedopropsitodestedocumento,quevisa exclusivamente estudar e compreender os robs industriais. Estes, por sua vez, caracterizam-se por serem capazes de realizar tarefas, podem ser programados, e possuem fora elevada. 2.2 - Automao Automao uma tecnologia que faz uso de sistemas mecnicos, eltricos, eletrnicos edecomputaoparaefetuarcontroledeprocessosprodutivos.Algunsexemplosde processos de automao nas indstrias so: linhas de montagem automotiva integrao de motores linha transfer maquinas operatrizes do tipo CNC robs Pode-se identificar trs formas distintas de automao industrial: automao fixa automao flexvel automao programvel a) Automao fixa 10Naautomaofixaasmquinassoespecficasparaoprodutoaserproduzido.Elas produzemgrandequantidadeumnicoproduto,ouprodutoscompequenasvariaesentre eles. O volume de produo elevado, e o custo da mquina elevado, pois projetada para um produto especifico. Por outro lado, como o volume de produo alto, o custo do produto em geral baixo. Tais mquinas so encontradas em linhas transfer de motores, produo de lmpadas, fabricao de papel e de garrafas. Neste tipo de automao, deve-se ter cuidado com o preo final do produto, pois, como o investimento de aquisio da mquina alto, a amortizao s acontece com vendas elevadas. Alm disso, se o produto sair do mercado por obsolescncia, perde-se o investimento. b) Automao flexvel Naautomaoflexvelovolumedeproduomdioegeralmenteamquinapode ser programada para produzir um outro produto, ainda que semelhante. Esta automao possui caractersticasdaautomaofixaedaprogramvel.Amquinadeveseradaptvelaum nmerograndedeprodutossimilares,e,nestesentido,elamaisflexvelqueaautomao fixa. Aautomaoflexvelempregada,porexemplo,numalinhademontagem automotiva. c) Automao programvel Naautomaoprogramvelovolumedeproduobaixo,masavariedadede produtos diferentes alta. Ela adaptvel por meio de programao. Os principais exemplos de automao programvel so as mquinas CNC e os robs industriais. A Figura 2.1 ilustra a relao entre o volume de produo e a diversidade de produtos paraosprocessosdeautomaodescritos.Detodososprocessosdeautomao,arobtica mais se aproxima da automao programvel. Portanto, os volumes de produo de um rob industrial no sograndes, mas ele extremamente adaptvel a produtos diferentes. Embora robs industriais sejam produzidos em diversas configuraes, algumas delas se assemelham, atcertoponto,acaractersticashumanas(antropomrficas),e,portanto,sopropciaspara substituir operaes realizadas por humanos. Os robs so totalmente programveis, possuem braos moveis, e so empregados em vrias atividades, entre as quais destacam-se: carregamento e descarregamento de mquinas soldagem a ponto ou outra forma pintura ou jateamento processo de conformao ou usinagem Embora haja uma tendncia de dotar os robs industriais de mais habilidade humana, ainda assim eles no possuem forma humana. 11 Automao fixa Automao pr