apostila robotica

8/2/2019 APOSTILA ROBOTICA

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O BRAO MECNICO.

O brao mecnico um manipulador projetado para realizar diferentes tarefas e ser capaz derepeti-las. Para realizar determinadas tarefas, o rob move partes, objetos, ferramentas, edispositivos especiais segundo movimentos e pontos pr-programados. Um rob consiste de

um brao mecnico motorizado e um crebro na forma de um computador que controla seusmovimentos. O computador guarda em sua memria um programa que detalha o curso que obrao seguir. Quando o programa est rodando, o computador envia sinais ativando motoresque movem o brao e a carga no final dele, que mantida sob controle pelo atuador ("endeffector").

Dois aspectos importantes do funcionamento de um brao mecnico corresponde aosensoriamento do ambiente e como se realiza aprogramao do mesmo.

SENSORIAMENTO

Para realizar certas tarefas os robs precisam de habilidades sensoriais similares s dohomem. Os modelos avanados de robs esto equipados com sensores mas sua capacidadeainda limitada, assim como sua capacidade de movimentao, j que os robs ficam fixosem um local, ou tem um espao restrito para se mover.

PROGRAMAO.

O computador que controla o rob deve possuir as seguintes caractersticas:

memria para guardar os programas; conexes para os controladores dos motores; conexes para entrada e sada de dados e para

ativar os programas operacionais;

unidade de comunicao controlada por um

humano.

TIPOS DE AUTOMAO.Automao pesada: mquinas que so projetadas para executar uma funo especfica. Nestessistemas, qualquer mudana na operao padro demanda uma mudana no hardware damquina e em sua configurao. Geralmente utilizados para um produto particular e de difciladaptao a outro produto. Automao flexvel:mquinas de fcil programao onde pode sermudada fcil e rapidamente uma configurao de manufatura para outra.
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CLASSIFICAO DE ROBS.

1 Gerao - so incapazes de obter qualquer informao sobre o meio. Podem realizarapenas movimentos pr-programados e as informao que eles retornam sobre o ambiente deoperao mnima.

2 Gerao - possui todas as caractersticas da 1 Gerao, acrescentando uma detalhadacomunicao com seu ambiente. Esta comunicao atingida atravs de sistemas desensoriamento e identificao. Necessita de computadores mais velozes, com maior memria,e tambm um grande avano na capacidade de sensoriamento.

LIMITAES DE CUSTO.

O maior fator que impede a adoo em massa de robs nas indstrias seu alto custo. O

tempo que leva para se recuperar o investimento em um rob depende dos custos de compra,instalao e manuteno. Este tempo no fixo, depende da fbrica onde o rob serinstalado e de sua aplicao. Deve-se considerar as seguintes condies:

nmero de empregados substitudos pelo rob; nmero de turnos por dia; produtividade comparada a seu custo; custo de projeto e manuteno; custo dos equipamentos perifricos.

O preo de um rob determinado por:

tamanho; sofisticao ou grau de complexidade; exatido; confiabilidade.

IMPLICAES SOCIAIS.

Nos ltimos tempos, atravs da automao, observou-se o decrscimo do nvel de empregonas atividades industriais. A curto prazo, a automao levanta problemas como o

desemprego, necessria reconverso e treinamento pessoal, conseqncias da reduo dehoras de trabalho, questes de aumento de salrios em atividades de maior produtividade.

Alguns aspectos do confronto operacional de homens e robs so:

HOMEM X ROBS

O rob tem claramente algumas vantagens sobre os humanos:


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1. no se cansa;2. no necessita de salrio;3. pode manter uma qualidade uniforme na produo;4. no necessita de condies ambientais

especiais, tais como ar condicionado, luz e silncio.Em compensao, o rob tem: aprendizado, memria e movimentos limitados se comparadoa um homem.

CAPTULO 3

O BRAO MECNICO

INTRODUO.Neste captulo estudaremos o brao mecnico do rob, seustipos de juntas egraus deliberdade, seus tipos de articulaes, suarea de trabalho (work envelope), e suas formas deacionamento.

O brao do rob executa movimentos no espao, transferindo objetos e ferramentas de umponto para outro, instrudo pelo controlador e informado sobre o ambiente por sensores. Naextremidade do brao existe um atuador usado pelo rob na execuo de suas tarefas. Todobrao de rob composto de uma srie de vnculos e juntas, onde a junta conecta dois

vnculos permitindo o movimento relativo entre eles, como mostrado na figura 1. Todo robpossui uma base fixa e o primeiro vnculo est preso a esta base. A mobilidade dos robsdepende do nmero de vnculos e articulaes que o mesmo possui.

FIGURA 1 - Junta e vnculos em um brao de rob

TIPOS DE JUNTAS.
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Os braos de robs podem ser formados por trs tipos de juntas:

juntas deslizantes; juntas de rotao; juntas de bola e encaixe.

A maioria dos braos dos robs so formadas pelas juntas deslizantes e de revoluo, emboraalguns incluam o de bola e encaixe. A seguir ser descrito cada um destes tipos de juntas.

Juntas Deslizantes.

Este tipo de junta permite o movimento linear entre dois vnculos. composto de doisvnculos alinhados um dentro do outro, onde um vnculo interno escorrega pelo externo,dando origem ao movimento linear. Este tipo de junta mostrada na figura 2, como segue.

FIGURA 2 - Junta deslizante

Juntas de Rotao.

Esta conexo permite movimentos de rotao entre dois vnculos. Os dois vnculos sounidos por uma dobradia comum, com uma parte podendo se mover num movimentocadenciado em relao outra parte, como mostrado na figura 3. As juntas de rotao soutilizadas em muitas ferramentas e dispositivos, tal como tesouras, limpadores de pra-brisa equebra-nozes.
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FIGURA 3 - Junta de rotao

Juntas de Bola e Encaixe.

Esta conexo se comporta como uma combinao de trs juntas de rotao, permitindomovimentos de rotao em torno dos trs eixos, como mostrado na figura 4.


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FIGURA 4 - Junta de bola e encaixeEstas juntas so usadas em um pequeno nmero de robs, devido dificuldade de ativao.De qualquer maneira, para se ter a performance de uma junta bola e encaixe, muitos robsincluem trs juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentao se cruzam em umponto, como na figura 5.

FIGURA 5 - Trs juntas rotacionais substituindo a junta de bola eencaixe

GRAUS DE LIBERDADE.

O nmero de articulaes em um brao do rob tambm referenciada como grau deliberdade. Quando o movimento relativo ocorre em um nico eixo, a articulao tm um graude liberdade. Quando o movimento por mais de um eixo, a articulao tm dois graus de

liberdade. A maioria dos robs tm entre 4 a 6 graus de liberdade. J o homem, do ombro t opulso, tm 7 graus de liberdade.

CLASSIFICAO DOS ROBS PELO TIPO DEARTICULAO.


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usual classificar os robs de acordo com o tipo de junta, ou mais exatamente, pelas 3 juntasmais prximas da base do rob. Esta diviso em classes fornece informaes sobrecaractersticas dos robs em vrias categorias importantes:

1. Espao de trabalho.

2. Grau de rigidez.3. Extenso de controle sobre o curso do movimento.4. Aplicaes adequadas ou inadequadas para cada tipo de rob.

Robs podem ser classificados pelo tipo de juntas em cinco grupos:

- Cartesiano.- Cilndrico.- Esfrico.- Articulao horizontal.- Articulao vertical.

O cdigo usado para estas classificaes consiste em trs letras, referindo-se ao tipo de junta( R = revoluo, P = deslizante - do ingls prismatic ) na ordem em que ocorrem, comeandode junta mais prxima base.

Robs Cartesianos.

O brao destes robs tm trs articulaes deslizantes sendo codificado como PPP, como nafigura 6.
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FIGURA 6 - Rob CartesianoOs robs cartesianos caracterizam pela pequena rea de trabalho, mas com um elevado graude rigidez mecnica e so capazes de grande exatido na localizao do atuador. Seu controle simples devido ao movimento linear dos vnculos e devido ao momento de inrcia da cargaser fixo por toda a rea de atuao.

Robs Cilndricos.

Os braos destes robs consistem de uma junta de revoluo e duas juntas deslizantes, sendocodificada como RPP, como segue na figura 7.

FIGURA 7 - Rob CilndricoA rea de trabalho destes robs so maiores que os robs cartesianos, mas a rigidez mecnica ligeiramente inferior. O controle um pouco mais complicado que o modelo cartesiano,devido a vrios momentos de inrcia para diferentes pontos na rea de trabalho e pela rotaoda junta da base.

Robs Esfricos.

Estes robs possui duas juntas de revoluo e uma deslizante, sendo codificado como RRP,como na figura 8.


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FIGURA 8 - Rob EsfricoEstes robs tem uma rea de trabalho maior que os modelos cilndricos, mas perde na rigidezmecnica. Seu controle ainda mais complicado devido os movimentos de rotao.

Robs com Articulao Horizontal.

Caracterizam-se por possuir duas juntas de revoluo e uma deslizante, sendo codificadosRRP, como na figura 9.


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FIGURA 9 - Rob com Articulao HorizontalA rea de atuao deste tipo de rob menor que no modelo esfrico, sendo apropriados paraoperaes de montagem, devido ao movimento linear vertical do terceiro eixo.

Robs com Articulao Vertical.

Estes robs caracterizam-se por possuir trs juntas de revoluo, sendo codificados por RRR,como na figura 10.


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FIGURA 10 - Rob com Articulao VerticalSua rea de atuao maior que qualquer tipo de rob, tendo uma baixa rigidez mecnica.Seu controle complicado e difcil, devido as trs juntas de revoluo e devido variaesno momento de carga e momento de inrcia.

COMPARAO DA REA DE TRABALHO DOSROBS.

Nesta seo ser feita uma anlise matemtica elementar para o calculo da capacidade dosrobs. As comparaes so ilustradas na figura 11 e o calculo da rea de trabalho segue-seaps a mesma.

Robs Cartesianos - Alcanam qualquer ponto de um cubo de lado L.

V = L * L * L


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Robs Cilndricos - alcanam qualquer ponto em um cilindro de altura L e raio 2L, exceto ospontos do cilindro interno de raio L e altura L.

V = 9,42* L * L * L

Robs Esfricos - alcanam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L, exceto a esfera internade raio L.

V = 29,32* L * L * L

Robs de Articulao Horizontal - alcanam qualquer ponto de um cilindro de raio 2L ealtura L.

V = 12,56* L * L * L

Robs de Articulao Vertical - Alcanam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L.

V = 33,51* L * L * L

Dessa forma, os robs possuem um progressivo aumento na sua rea de atuao, indo docartesiano at o de articulao vertical. Ento, a razo entre a rea relativa aos casos extremos:

Vav/Vc = 33,51

Isto significa que a rea de trabalho de um rob com articulao vertical com 2 vnculos detamanho L 33,51 vezes maior que a rea de trabalho do rob cartesiano com 3 vnculos de

tamanho L.


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FIGURA 11 - Comparao da rea de Trabalho dos tipos de robs

CONVENINCIA PARA TAREFAS PARTICULARES.


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A avaliao dos tipos de articulaes e seu arranjo, permite ao projetista estimar a rea deatuao do rob, rigidez mecnica e facilidade de controle do brao, possibilitando qualtarefa ser mais apropriada para cada tipo de rob. O movimento das articulaes capacitamo rob a mover seu atuador para qualquer ponto na sua rea de atuao, mas no habilitandoo controle da orientao do atuador no espao; cuja importncia no se restringe somente ao

alcance da pea, mas tambm em conduzir o atuador a uma certa altitude em relao a pea.Essa tarefa pode ser realizada adicionando-se articulaes para o pulso do brao, dando ummaior grau de liberdade. A partir disso, o rob fica habilitado a realizar os seguintesmovimentos:

Pitch - movimento para cima e para baixo. Roll - movimento de rotao no sentido horrio e anti-horrio. Yaw - movimento para a esquerda e para a direita.

CONSTRUO DOS VNCULOS.

Um importante fator na construo dos vnculos a carga que o mesmo suporta, o peso doprprio brao e o grau de rigidez do mesmo. Um brao pesado necessita de um motor maior,tornando o custo do rob mais elevado. Um brao de baixa rigidez reduz a preciso do robdevido s vibraes e resposta tenso. Para aumentar a rigidez mecnica do brao semaumentar seu peso, freqentemente usa-se uma estrutura oca. A utilizao deste tipo deestrutura tem uma melhor dureza quando comparada com uma construo macia utilizandoa mesma massa de material. Essa comparao mostrada na figura 12.

FIGURA 12 - Estruturas para a construo de vnculos

DRIVER'S DE ACIONAMENTO DO BRAO DOROB.

Existem vrios tipos de Driver's que so classificados genericamente como:

pela forma de movimento - Drivers de Rotao e de Deslizamento. pela forma de acionamento - Drivers Eltrico, Hidrulico, Pneumtico pela forma de conexo - Drivers Direto e Indireto


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Classificao pela forma movimento: Driversde rotao e de deslizamento

Driver de rotao - consiste em um motor, que quando conectado sua fonte de energia, oeixo do motor responde em um movimento de rotao.

Driver deslizante - consiste em um cilindro hidrulico ou pneumtico. O movimento lineartambm pode ser produzido por um movimento rotativo usando correias ou hastesempurradas pelo motor, fazendo uma converso de movimento rotativo em linear.

Classificao pela forma acionamento: Driverseltrico,hidrulico e pneumtico

Driver Eltrico

Este tipo de driver utiliza motores eltricos que podem ser: motor de corrente contnua, motor

de passo e motor de corrente alternada. Muitos robs novos tem drivers de motor correntecontnua devido ao alto grau de preciso e simplicidade de controle do motor eltrico. Asvantagens do driver eltrico:

1. Eficincia calculada, controle preciso.2. Envolve uma estrutura simples e fcil manuteno.3. No requer uma fonte de energia cara.4. Custo relativamente pequeno.

As desvantagens:

1. No pode manter um momento constante nas mudanas de velocidade de rotao.2. Sujeitos a danos para cargas pesadas suficientes para parar o motor.3. Baixa razo de potncia de sada do motor e seu peso, necessitando um motor grande

no brao.

Driver hidrulico

Esta unidade composta de: motor de movimento rotativo e cilindro para movimentodeslizante. A unidade de acionamento hidrulico provoca movimento em pistes quecomprimem o leo, como mostra a figura 13.
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FIGURA 13 - Unidade de acionamento hidrulicoO controle feito atravs de vlvulas que regulam a presso do leo nas duas partes docilindro e que impulsionam o pisto. As vantagens do driver hidrulico:

1. Momento alto e constante sob uma grande faixa de variao de velocidade.2. Preciso de operao (menor que o eltrico e maior que o pneumtico). O leo no

compressvel e no h variao de seu volume quando se varia a presso.3. Pode manter um alto momento para um longo perodo de tempo, quando parado.

As desvantagens so:

1. Requer uma fonte de energia cara.2. Requer uma manuteno cara e intensa.3. Requer vlvulas de preciso caras.

4. Est sujeito a vazamento de leo.Driver pneumtico

Esta unidade similar hidrulica e composto de: motores pneumticos de movimentorotativo e cilindros pneumticos de movimento deslizante. Na figura 13 pode-se considerar amesma para acionamento pneumtico, utilizando ar ao invs de leo. Possui um alto grau depreciso nas paradas. So utilizados em sistemas automticos simples, mas pouco utilizado


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em robs devido alta compressibilidade, o que reduz a habilidade de realizar controlepreciso. muito utilizado em movimentos de agarramento, tanto para abrir como para fecharas garras. As vantagens do driver pneumtico:

1. Podem operar em velocidades extremamente altas.

2. Custo relativamente pequeno.3. Fcil manuteno.4. Podem manter um momento constante em uma grande faixa de velocidade.5. Pode manter alto o momento por longos perodos de tempo sem danos, quando

parado.

As desvantagens so:

1. No possui alta preciso.2. Esta sujeito a vibraes quando o motor ou cilindro pneumtico parado.

Resumindo, o driver eltrico melhor em aplicaes envolvendo: Alta preciso de posio; Transferncia de carga de tamanho pequeno e mdio; Pequenas ambientes para sistemas de compressores de leo e ar;

O driver hidrulico trabalha melhor em situaes envolvendo:

Transferncia de cargas pesadas ( de 2.000 pounds ou mais); De mdia para alta preciso na localizao e velocidade;

O driver pneumtico prefervel em aplicaes envolvendo: Baixa preciso; Necessidade de baixo custo; Altas velocidades; Transferncias de pequenas e mdias cargas.

Classificao pela forma de conexo: Drivers Direto e Indireto.

No caso do driver direto, o motor montado diretamente na junta que ele ir mover. Se omotor montado longe da junta, prximo da base, o driver indireto; neste caso h

elementos de transmisso como correntes, correias, diferenciais e engrenagens. As vantagensdo driver indireto sobre o direto:

1. Reduo do peso do brao mecnico;2. Permite mudanas na velocidade de rotao das juntas.

As desvantagens do driver indireto sobre o direto:


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1. Falta de preciso da operao da junta devido a liberdade mecnica dos pontos deconexo entre os dispositivos de transferncia;

2. Perdas considerveis de potncia.

CAPTULO 4

O CONTROLADOR DO ROB.

INTRODUO

O Controlador a parte do rob que opera o brao mecnico e mantm contato com seuambiente. O dispositivo em si composto por hardware e software, combinados parapossibilitar ao rob executar suas tarefas.

Neste captulo vamos estudar: os nveis de controle do rob, a classificao temporal da

programao do controladoretipos de software para o controlador.

NVEIS DE CONTROLE DO ROB.

O controle do rob pode ser dividido em trs nveis que constituem a hierarquia de controle.

Os nveis so:

Controle do acionador: ou controle de cada eixo do rob separadamente. Nvel maisbaixo.

Controle da trajetria : ou controle do brao do rob com coordenao entre os eixos

para percorrer a trajetria especificada. Nvel intermedirio. Controle de coordenao com o ambiente : o controle do brao em coordenao

com o ambiente. Nvel mais alto.
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Fig 1 - Relao entre os vrios nveis de controle na realizao de uma tarefa.

CONTROLE DO ACIONADORAcionadores: unidades que provocam o movimento dos eixos do rob. Cada eixo demovimento inclui, pelo menos, uma articulao, um vnculo e um acionador. Em algunsrobs, os eixos incluem dispositivos de transferncia de movimento assim como unidadespara identificar a posio relativa dos vnculos. Um eixo que contm tais unidades possuicontrole de malha fechada.

Os sinais de controle provm de um computador (quando se fala em computador, deve-se ter

em mente que pode ser tambm um micro-controlador, ou um microprocessador) digital,ento deve passar por um conversor digital/analgico (uma vez que os Acionadores de robgeralmente trabalham com sinais analgicos).

Mas isso ainda no suficiente, pois a potncia necessria para operar a unidade acionadores relativamente alta, ento usa-se um amplificador.


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FIG. 2 - Sequncia de acionamento de um motor eltrico com controle de malha fechada

Para se entender o conceito de malha fechada necessrio recordar o de realimentao.Realimentao consiste em se tomar uma medida do estado atual do dispositivo a sercontrolado e comparar essa medida com um valor pr-definido. Essa comparao vai resultarem um erro. O controlador vai tomar as providncias necessria para que esse erro sejareduzido a zero.

Um diagrama em blocos desse tipo de controle mostrado na figura 3.

FIG. 3 - Seqncia de acionamento de um motor eltrico.


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Em um controle de malha fechada, no se pode medir nem corrigir eventuais erros, ento nose tem certeza se o objetivo foi atingido.

Controle em malha fechada utilizado em praticamente todos os robs industriais existentes.

Em um controle de malha fechada de um brao de rob, as unidades que informam sobre aposio atual dos vnculos o encoder. H um encoder presente em cada eixo a sercontrolado. Existe um grande nmero de encoders, mas o mais comum o encoder rotacionaltico, que composto por:

uma fonte de luz (como um LED). um detector de luz. um disco perfurado que gira entre a fonte e o detector de luz.

Esse disco conectado articulao do rob. Isso faz com que o detector receba pulsos deluz e transforme em pulsos eltricos. O nmero de pulsos gerados proporcional extenso

de movimento e/ou ao ngulo de rotao do eixo do rob. A velocidade dos vrios eixos dorob tambm deve ser conhecida, para se prevenir flutuaes no movimento do rob. Umcomponente utilizado para medir a velocidade o tacmetro.

CONTROLE DE TRAJETRIACada tarefa executada por um rob pode ser considerada como uma srie de operaes,atravs das quais o atuador movido pelo brao do rob entre dados pontos e operado comoprogramado nesses pontos.

O controle de trajetria pode ser dividido em dois mtodos: controleponto-a-ponto e controlecontnuo.

Antes de descrever cada mtodo, devemos definir alguns termos:

Ponto: localizao no espao em direo ou atravs do qual o atuador movido poruma operao do brao do rob.

Passo: uma parte do programa operacional do rob. A cada passo, o rob executa umaatividade.

Srie: uma coleo de passos que combinados formam o programa operacional dorob.

CONTROLE DE TRAJETRIA PONTO-A-PONTO

Neste tipo de controle, primeiramente definimos uma coleo de pontos para o rob. Entoconstrumos a srie e guardamos na memria do controlador. Quando rodamos a srie, obrao do rob vai se mover pelos vrios pontos, de acordo com a ordem dos passos na srie.Em cada passo o rob sabe para onde ir, mas no conhece a trajetria que traar para chegara um certo ponto.
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Robs com controle ponto-a-ponto so geralmente usados em sries onde o atuador noprecisa realizar alguma funo no decorrer do movimento. Uma aplicao tpica solda emponto. A maioria dos robs do mundo opera em controle ponto-a-ponto.

CONTROLE DE TRAJETRIA CONTNUA

Esse mtodo mais complexo e caro do que o ponto-a-ponto, pois o brao deve se mover poruma trajetria exatamente definida.

Os movimentos dos acionadores so coordenados pelo controlador do brao a cada instante,de tal forma que a trajetria ir se assemelhar o mximo possvel com a programada.

A trajetria do rob pode ser definida por dois mtodos, como veremos:

Mtodo A: Nesta tcnica, o brao do rob movido manualmente pela trajetriadesejada, enquanto o controlador grava em sua memria as posies das articulaesa cada instante, atravs das informaes fornecidas pelos encoders. Quando a srie

rodada mais tarde, o controlador comanda os acionadores de acordo com ainformao em sua memria. O brao ento repete a trajetria precisamente.

Mtodo B: Nesta tcnica, a trajetria definida por um determinado trajeto demovimento, tal como uma linha reta ou um arco passando por dados pontos.O controlador calcula e coordena o movimento a cada instante. O computadorcontrolador deve ser mais rpido e ter mais memria do que o computador deum controle ponto-a-ponto. Robs com controle de trajetria contnua sousados em sries onde o atuador deve realizar algum trabalho enquanto obrao se move. Uma aplicao tpica pintura com spray.

CONTROLE DE COORDENAO COM O AMBIENTEO movimento de um brao de rob baseado em movimento coordenado de todos seusacionadores. As condies em que esses acionadores trabalham so diferentes. Diferem nacarga, no momento de inrcia e na velocidade, por exemplo. Portanto, essas condiesvariveis podem exigir um diferente planejamento de controle para cada malha de controle.

Em robs modernos, cada malha de controle do acionador controlada por ummicrocomputador. Se quisermos que o atuador se mova at determinado ponto,podemos ditar as coordenadas daquele ponto para o computador controlador que ircoordenar o movimentos das vrias articulaes. O operador no precisa se preocuparcom o controle de cada eixo separadamente nem coordenar o movimento dos vrios

eixos, isso funo do computador controlador.

CLASSIFICAO TEMPORAL DE PROGRAMAO

Uma das principais diferenas entre controladores relaciona-se com o momento em que atrajetria de movimento calculada, e com a habilidade de realizar mudanas na trajetria


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enquanto o brao est em movimento. Existem dois tipos de controle:programao off-line eprogramao e controle em tempo real.

PROGRAMAO OFF-LINENeste modo, o controlador do rob guarda a trajetria de movimento em sua memria como

uma srie de pontos e os correspondentes movimentos das vrias articulaes. Enquanto oprograma est sendo executado, o controlador no realiza clculos de trajetria. Ao invsdisso, o controlador simplesmente l os comandos de movimento da memria que j forampreviamente processados. Portanto, neste mtodo no podem ser usadas sries em queocorrem mudanas durante a execuo do programa, tais como as que envolvem o uso desensores. Programao off-line no necessita de computadores rpidos e complexos, por isso menos dispendiosa do que controle em tempo real.

PROGRAMAO E CONTROLE EM TEMPO REALNesta modo, o controlador recebe instrues gerais sobre a trajetria de movimento.Enquanto o brao est se movendo, o controlador deve calcular a extenso do movimento das

vria articulaes a fim de se mover pela trajetria desejada. As informaes recebidas dossensores sobre mudanas no ambiente do rob enquanto o brao se move so processadaspelo controlador em tempo real.

Controle em tempo real prefervel a programao off-line, por ser mais flexvel na suahabilidade de mudar o curso de ao enquanto uma tarefa est sendo executada. Estaflexibilidade exige um controlador mais complexo, incluindo um computador rpido osuficiente para processar a informao sem diminuir a velocidade de operao do rob.

TIPOS DE SOFTWARE PARA O CONTROLADOR

Como j foi dito, o controlador do rob composto de hardware e software. Este softwarepode ser dividido basicamente em dois componentes: software de usurio e software decontrolador.

SOFTWARE DE USURIO escrito pelo operador do rob para cada srie executada pelo rob. Consiste numa coleode pontos ao longo da trajetria e das operaes executadas nesses pontos pelo atuador. Soescritos em linguagens de alto nvel.

Escrever um programa de usurio tarefa simples, qualquer um pode faz-lo com algumtreino.

SOFTWARE DE CONTROLADOR o software do rob que escrito pelo fabricante. o responsvel pelo processamento doscomandos do programa do usurio e pela sua converso em comandos para o rob.
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O grau de sofisticao do rob fortemente determinado pelo software do controlador. Essesoftware em robs avanados complexo. Inclui centenas de clculos que devem serrealizados rapidamente enquanto o rob est em movimento. Se torna mais complexo amedida que os graus de liberdade aumentam.

CAPTULO 5MTODOS PARA ENSINAR O ROB.

INTRODUO.

Para realizar uma tarefa o rob e o ser humano devem passar por um processo deaprendizagem, sendo que o homem pode receber definies genricas; enquanto que para orob necessrio subdividir a tarefa em partes simples de movimento. Para realizar as

tarefas, homens e robs utilizam-se de sensores que enviam dados ao ponto central decontrole (crebro para o homem e controlador para o rob), o qual toma decises enviandocomandos de movimentao s partes que o realizam. O processo de realizao de uma tarefapara o homem composto de instrues simples e genricas, pois o homem capaz de tomardecises prprias durante a realizao do processo e recorrer a sua memria acumulativa deexperincias j ocorridas. Para o rob necessrio que as instrues sejam bem detalhadas,pois o mesmo no capaz de tomar decises prprias (exceto quando o programao tratadisto, como em programao para inteligncia artificial) o que acarretaria numa programaomuito complexa. Fazer um rob movimentar uma pea de um local para outro, requeralgumas pequenas rotinas como pegar a pea, levant la, mover at a outra posio, desc-lae solt-la. Alm disso necessrio inform-lo da velocidade em que estes passos deprocedimento devem ocorrer. Isto faz com que procedimentos mais complexos tenhamdezenas e at centenas de pequenos movimentos, o que requer um tempo muito grande deprogramao do processo para treinar o rob.

Neste captulo vamos estudar diferentes formas de treinar o rob a realizar suas tarefas.Vamos ver os mtodos para treinar o rob a realizar suas tarefas e realizar uma comparaoentre os mtodos para treinar o rob. O captulo se encerra com umaconcluso a respeitodestes mtodos.

MTODOS PARA TREINAR O ROB

Existem vrios mtodos para treinar o rob e, a cada dia, pesquisadores e fabricantes estodesenvolvendo novos mtodos com a finalidade de tornar o rob mais flexvel aaprendizagem de novas tarefas, simplificando o processo de treinamento. Os atuais mtodospara treinar o rob podem ser divididos em dois grupos:mtodos de ensino e mtodos deprogramao.
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Nos mtodos de ensino h um movimento fsico do brao do rob numa srie de pontos deuma a outra posio. Dentro dos mtodos de ensino pode-se ter variaes como o mtodo deensino por meio de chaves (teach in), ensino manual (teach-through), e ensino por sensores.

Nos mtodos de programao determina-se uma srie de pontos que o brao dever percorrer,

sem que o mesmo se mova fisicamente durante a programao. Nestes mtodos deprogramao, caso em que no se utiliza o acionamento de sensores fsicos ou atuadores,pode-se trabalhar com: definies de coordenadas, deslocamento do sistema de coordenadas,uso de sensores de viso e apontadores e modelagem de mundo (world modeling).

MTODOS DE ENSINO

Nos mtodos de ensino h um movimento fsico do brao do rob numa srie de pontos deuma a outra posio. Dentro dos mtodos de ensino pode-se ter variaes como o mtodo deensino por meio de chaves (teach in), ensino manual (teach-through), e ensino por sensores.

ENSINO POR MEIO DE CHAVES - TEACH-INEste um dos mtodos mais comuns, pois o mtodo consiste de um ser humano fazendo comque o rob mova-se atravs do acionamento de botes ou chaves localizados num controleremoto (teach pendant) ou caixa de controle (teach box) em uma certa ordem; a fim de que oatuador seja movido ao ponto desejado. Ao atingir o ponto desejado gravado esta posioatravs de um boto chamado de tecla de registro. Esta posio gravada nada mais que aposio das articulaes (ngulos de rotao, trecho de extenso de juntas de deslocamento) eo estado do atuador (garra aberta ou fechada). O processo de marcar a posio realizado aolongo da trajetria, em diferentes pontos. Para isto o operador utiliza-se de um pequeno e levecontrole remoto conectado ao controlador do rob por um cabo, geralmente, proporcionandoao operador uma viso total do desempenho e rea de atuao do rob. Neste processo o

operador passa a operar como um sensor de controle do rob e cuja responsabilidade degarantir a perfeita realizao da tarefa; necessitando que o mesmo seja altamente treinado eespecializado para realizar a operao.

A tarefa realizar-se- quando o controlador chama os pontos da memria e envia oscomandos as juntas e atuador; assim como foi gravado durante o aprendizado. Existe umagrande variedade de controles remotos, sendo que cada rob possui um adaptado snecessidades para seu uso. Pode-se encontrar controles remoto desde os mais simples, ondeas teclas controlam diretamente o motor, at aqueles mais sofisticados, onde as teclasprogramam o controlador de forma que mova o rob em linha reta ou vrios sistemas decoordenadas. Na figura 1 pode-se notar dois tipos de controles remotos, tipos padro nos

controles.
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Fig. 1 - Tipos padro de controle remoto

Uma desvantagem apresentada na utilizao de controle que o operador precisa desviarateno dos movimentos do rob a fim de localizar e acionar a tecla adequada, para tantoelimina-se este problema com a utilizao de um joystick parecido com os utilizados porpilotos de avio ou de vdeo game padro atari. As teclas de movimento so montadas nojoystick de tal forma que se possa acionar uma ou mais teclas, promovendo a movimentaoem vrias direes sem que seja necessrio que o operador se distraia. Na figura 2 pode-sever um joystick que controla um rob em apenas duas direes, sendo que joysticks maissofisticados podem controlar, juntamente, vrios outros movimentos.


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Fig. 2 - Representao de um joystick para controle do rob

Um outro mtodo envolve um rob adicional, chamado de mestre, caracterizado por ser umamquina leve e no incluir motores ou dispositivos de transferncia de movimento. Seusvnculos so iguais em comprimento ao rob escravo e o rob mestre possui encoders emsuas articulaes; ambos so controlados por um computador comum. O processo de ensinotorna-se mais fcil, uma vez que o operador move o rob mestre sem dificuldades pelatrajetria. Como a estrutura geomtrica dos robs mestre e escravo so idnticas, a trajetriarealizada pelo rob mestre ser feita pelo escravo. Este mtodo usado quando no exigidoum alto grau de preciso e quando difcil dividir a tarefa em uma srie de pontos individuaispara criar o movimento ponto-a-ponto. A figura 3 mostra um exemplo de rob mestre-escravo sendo ensinado para realizar a tarefa de pintura automobilstica com spray.


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Fig. 3 - Representao de conjunto Robs Mestre-Escravo

ENSINO MANUAL - TEACH-THROUGH.O ensino manual de rob pode ser feito de duas maneiras: o ensino manual direto e o ensinomanual por sensor de fora.

ENSINO MANUAL (TEACH-THROUGH) DIRETO.Neste mtodo, o rob movido manualmente ao longo da trajetria desejada, e o controladorgrava a posio das juntas por amostras (sampling) ou toma a leitura em um intervalo detempo fixo; sendo que seus motores devem estar inoperantes. Este mtodo tem duaslimitaes:

O operador tem de vencer o peso do rob e o atrito nas juntas e engrenagens,tornando inaplicvel para robs de grande e mdio porte; onde requerida preciso.

O controlador necessita de uma memria muito grande para armazenar a informaoamostrada a uma taxa de 10 vezes por segundo, comprometendo a preciso doprocesso. Para amenizar o problema de peso do rob pode-se utilizar
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uma unidade de balano, a qual suporta o peso esttico do brao.

ENSINO MANUAL (TEACH-THROUGH) USANDO UM SENSOR DE FORA.Este mtodo semelhante ao anterior, porm utiliza o auxlio de um sensor de fora ligado ao

atuador. Quando o operador move o brao (rob) exercida uma fora no atuador, o sensorconverte a fora em sinais eltricos, que ativam os motores do rob na direo fixada. Avantagem deste mtodo sobre o anterior que o operador no necessita de um grande esforopara mover o rob, podendo obter um alto grau de preciso; entretanto ainda restrito amodelos experimentais.

ENSINO POR MEIO DE SENSORES.Neste mtodo os sensores auxiliam o operador no direcionamento do rob ao longo datrajetria atravs de transmisso de informaes ao controlador. Com isso torna-se mais caroque os outros mtodos uma vez que utiliza equipamentos mais sofisticados. Contudo os

sensores so utilizados somente durante o processo de aprendizagem, uma vez que naexecuo da tarefa no sero afetados pela interferncia do rob. Com a utilizao dossensores h uma diminuio do tempo e da fora necessria para ensinar o rob a realizar astarefas.

MTODOS DE PROGRAMAO.

Consiste no movimento do rob atravs da trajetria fixada para o controlador sem mover oatuador, no necessitando para tanto o movimento ponto a ponto. Os mtodos deprogramao podem ser divididos em quatro grupos, como:

Definio de coordenadas pelo computador; Deslocamento do sistema de coordenadas; Uso de sensores de viso e apontadores; Modelagem de mundo.

DEFINIO DE COORDENADAS PELO COMPUTADOR.O controlador pode receber informaes sobre uma srie de pontos que o atuador passar eque armazenado na memria, sem que o atuador mova-se; determinando a trajetriadesejada durante o processo de aprendizagem. Este mtodo usado na maioria dos robs eprov a base da programao OFF-LINE. Por exemplo, uma tarefa pode ser definida como

uma srie de nmeros, como 2,3, 4 e 5, 6, 7, e ao executar a tarefa o rob move o atuadorpara a coordenada x=2; y=3 e z=4; movendo-se em seguida para a coordenada x=5; y=6; z=7.Procedimento este a ser explicado posteriormente. A habilidade para definir o movimentoespecificado pelas coordenadas para o controlador do rob a base para os mtodos deaprendizagem.
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DESLOCAMENTO DO SISTEMA DE COORDENADAS.Este mtodo de programao aplicvel em rob que executam tarefas idnticas em duas oumais clulas de trabalho ou estaes nas quais o rob realiza alguma tarefa. O rob instrudo a executar a tarefa em uma das clulas, atravs da definio de uma srie de pontosao controlador do brao. O sistema de coordenadas transladado a uma segunda clula de

forma que a tarefa seja copiada. Como mover o sistema de coordenadas? Na figura 4 exemplificado uma situao em que o rob realiza furos em chapas metlicas em duasestaes. Enquanto fura-se na estao A, na B retirada a placa furada. Quando termina na Avai para a B e a chapa A trocada por outra nova. Como a tarefa realizada a mesma emambas as estaes basta ensinar as furaes em uma placa e adicionar os deslocamentos nosistema de coordenadas existente.

Fig. 4 - Representao de rob utilizando-se de Sistema de Coordenadas

Para este exemplo a mudana de 11 unidades no eixo x e 6 unidades no eixo y, quepodemos definir como:

XB = XA + 11YB = YA + 6


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Com este novo sistema de referncias possvel que o rob execute o mesmo procedimentona estao B como havia realizado na A, uma vez que houve correo na referncia inicial. necessrio ensinar ao rob um grande nmero de pontos para que realize as furaes, almdos pontos de referncias inicias. Este mtodo extremamente eficiente quando deseja seaumentar produo com garantias de repetitividade e qualidade, bastando utilizar localizaes

diferentes.

USO DO SENSOR DE VISO E DO APONTADOR.Para definir a programao das coordenadas da trajetria do rob necessrio conhecer todosos valores numricos das coordenadas dos pontos, sendo que nem sempre isto possvel, poisou so desconhecidos ao usurio ou sua medio envolve um grande esforo. A fim demelhorar o desempenho utilizado um sensor de viso com um auxlio de um apontador.Neste mtodo utiliza-se um estreito feixe de luz ou um apontador para indicar os pontos datrajetria. Um sensor de viso semelhante a uma cmara acha a localizao das marcas deluz, guardando estas posies na memria. Uma outra aplicao deste mtodo envolve umatela de monitor para mostrar o campo de operao do rob que ao ser tocado por uma caneta

ptica no ponto desejado grava esta posio na memria; o que torna sua utilizao maissimples e podendo ocorrer erros dependendo da preciso da tela. Por isso no so sistemasmuito utilizados.

MODELAGEM DE MUNDO.Este um mtodo avanado e experimental que possibilita que uma tarefa seja aprendida semestar dividida em movimentos individuais, operando com definies de tarefas genricas;como "traga o copo" ou "monte a pea". Para isto o formato dos objetos localizados dentro docampo de trabalho so armazenados na memria e o controlador onde cada item estlocalizado, assim como sua orientao dentro do espao e como mant-lo na seqncia paramanipul-lo com segurana. armazenado tambm sries de movimentos individuais, as

quais so componentes de uma tarefa. Com a facilidade de treinamento do rob atravs dedefinies genricas o custo necessrio para sua utilizao engloba computadores de altavelocidade de processamento e grande quantidade de memria, alm de sofreares avanados;fazendo com que o mtodo esteja em estgio atual de desenvolvimento.

COMPARAO DOS MTODOS DE ENSINO EMTODOS DE PROGRAMAO.

As vantagens do mtodo de ensino so:

1. Pode-se ter certeza de que o brao atinge um ponto desejado, mesmo que o peso dacarga flexione o brao do rob; o

que no pode ser previsto no mtodo de programao, pois no se sabe qual o desviodo atuador.


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2. No est sujeito a imprecises na definio de coordenadas dos pontos, ocorrendo oinverso no mtodo de programao.

As vantagens do mtodo de programao so:

1. Poupam tempo e esforo e, no necessrio a retirada do rob da linha de produopara ensinar uma nova tarefa.2. Pode-se transferir a outros robs as coordenadas de uma tarefa aprendida, mesmo

com estruturas diferentes.

Os robs ainda tem um longo caminho at atingir a preciso que gostaramos, comodesenvolvimento para manter a posio do brao independente da carga, modos de prevenircolises do brao com objetos na trajetria. Ocorrendo tais desenvolvimentos pode-seantecipar que os mtodos de programao iro prevalecer como principais tcnicas de ensinodos robs.

CONCLUSO.Atravs do texto tratado neste captulo, podemos notar que existem muitos mtodos paraensinar os robs a aprender novas tarefas e, que em cada caso, devem ser adequadas aspossibilidades de execuo por parte do rob; alm da qualificao profissional paramanuseio deste mesmo rob. vlido lembrar que a todo momento so desenvolvidos novosmtodos, os quais tornam essa tarefa de aprendizado mais fcil. O custo-benefcio daaplicao de determinado tipo mtodo deve levar em considerao custo, tipo de rob,quantidade de produo, quantidade de robs, especializao profissional, etc. Com issopode-se obter o ponto timo de utilizao do rob e conseqentemente, do mtodo deaprendizagem.

Os mtodos de programao tem algumas vantagens que em nosso momento atual fazem comque os mesmos se sobressaiam aos mtodos de ensino e, cuja viso futura de ensinar osrobs exclusivamente por programao; havendo raras excesses. Os mtodos de se ensinarrob podem ser aplicados a todos os robs e podemos notar que pode ser empregado emlinhas de montagem, pintura de automveis, tornos, fresadoras, centros de usinagem, linha deempacotamento, auxlio a pessoas deficientes, dentre outras.

CAPTULO 6

ATUADORES

INTRODUO

O atuador (end effector) todo um sistema montado na extremidade do vnculo mais distanteda base do rob, cuja tarefa agarrar objetos, ferramentas e\ou transfer-las de um lugar paraoutro. So exemplos de atuadores a pistola de solda, garras e pulverizadores de tintas. A


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operao do atuador o objetivo final na operao de um rob, assim todos os demaissistemas (unidades drives, controles, etc.) so projetados para habilitar sua operao.

O atuador de extrema importncia na execuo de uma tarefa, portanto necessrio que omesmo seje adequadamente projetado e adaptado as condies do seu meio e rea de

trabalho. Existem dois tipos de atuadores:Garras e Ferramentas.Neste captulo vamos apenas estudar as garras, sendo que os diferentes tipos de ferramentasvo ser vistos mais frente, no captulo de aplicaes, j que as ferramentas so especficaspara cada tipo de aplicao.

ATUADORES TIPO GARRA

A garra comparvel a mo humana. No entanto, ela no capaz de simular seusmovimentos, resultando na limitao dos movimentos a uma faixa de operaes. A grandedemanda tem levado ao desenvolvimento de garras que podem manusear objetos de

diferentes tamanhos, formas e materiais. Estas garras so divididas em vrios tipos de classe:

Garra de dois dedos; Garra de trs dedos; Garra para objetos cilndricos; Garra para objetos frgeis; Garra articulada; Garra a vcuo e eletromagntica, Adaptador automtico de garras.

Garra de dois dedos:

o tipo mais comum e com grande variedade. So diferenciados um do outro pelo tamanhoe/ou movimento dos dedos, como o movimento paralelo mostrado na figura 1 ou omovimento de rotao mostrado na figura 2. A principal desvantagem desta garra alimitao da abertura dos seus dedos, restringindo, assim a sua operao em objetos cujotamanho no exceda esta abertura mxima.
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Fig. 1 - Garra de movimento paralelo


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fig. 2 - Garra com movimento de rotao

Garra de trs dedos:

So similares aos de dois dedos, porm permitem uma segurar objetos de forma circular,triangular e irregular com maior firmeza. Os dedos so articulados e formado por diversosvnculos, como mostra a figura 3, abaixo.


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fig. 3 - Garra de trs dedos

Garra para objetos cilndricos:

Consiste de dois dedos com vrios semicrculos chanfrados (ver figura 4), que permitem agarra segurar objetos cilndricos de vrios dimetros diferentes. As principais desvantagensso:

O seu peso que deve ser sustentado pelo rob durante a operao; A limitao de movimentos causada pelo comprimento da garra.


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fig. 4 - Garra para objetos cilndricos

Garra para objetos frgeis:

So garras prprias para exercer um certo grau de fora durante a operao de segurar algumcorpo, sem causar algum tipo de dano ao mesmo. Ele formado por dois dedos flexveis, quese curvam para dentro, de forma a agarrar um objeto frgil; seu controle feito por umcompressor de ar. Veja a figura 5.


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fig. 5 - Garra para objetos frgeis

Garra articulada:

So projetados para agarrar objetos de diferentes tamanhos e formas. Os vnculos somovimentados por pares de cabos, onde um cabo flexiona a articulao e o outro a estende.Sua destreza em segurar objetos de formas irregulares e tamanhos diferentes se deve aogrande nmero de vnculo, conforme mostra a figura 6, abaixo.


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fig. 6 - Garra articulada

Garras a vcuo e eletromagnticas:

Garras a vcuo so projetados para prender uma superfcie lisa durante a ao do vcuo.Estas garras possuem ventosas de suco conectadas a bomba de ar comprimido, que predemsuperfcies como chapas metlicas e caixas de papelo. Para reduzir o risco de malfuncionamento devido a perda de vcuo, comum usar mais do que uma ventosa de suco.A figura 7 ilustra este tipo de garra.


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fig. 7 - Garras a vcuo

Garras eletromagnticas so utilizados para segurar objetos que podem ser magnetizados (aoe nquel) atravs de um campo magntico. Estes objetos devem possuir um lugar especficona qual a garra passa atuar. Ambos os tipos de garras descritos acima so muito eficientes,

uma vez que eles podem segurar objetos de vrios tamanhos e no necessitam de grandepreciso no posicionamento da garra.

Adaptador automtico de garra:

Surgiu da necessidade de se ter uma garra capaz de segurar todos os tipos de objetos. Entofoi criado uma unidade chamada de automatic gripper changer, que um adaptador quepermite que uma garra seja rapidamente ligada ou removida do brao do rob.

Restries:

Os adaptadores devem ser ligados ao brao do rob de um mesmo modo e deveconectar de maneira idntica suas unidades de drive, se eltrica, mecnica oupneumtica.

Desvantagens:

1. O peso adicional na extremidade do brao do rob;


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2. Complicaes tecnolgicas so uma fonte potencial de mal

funcionamento;

3. Acrscimo no custo do rob;4. Tempo gasto na troca das garras.

Diante destes fatos verifica-se que o desenvolvimento e produo de garras um estgioimportante no projeto de robs para tarefas particulares. Normalmente, os fabricantes vendemrobs sem o atuador, as garras e as ferramentas so escolhidas e adaptadas pela equipe deengenharia que instala o rob no local de trabalho. Este um estgio crtico da instalao,requerendo um alto nvel de conhecimento e prtica.

Subsistemas em Ao - Executando uma tarefa

INTRODUO

Neste captulo descreveremos como as operaes dos vrios subsistemas que compem umrob so integrados durante sua operao. Para ilustrar isto, especifica-se uma tarefa para orob e acompanha-se a operao destes vrios subsistemas durante a execuo da tarefa. Otrabalho se realiza em duas fases: aprendizado da tarefae execuo da srie de comandos datarefa.

APRENDIZADO DA TAREFA

A tarefa em questo a construo de uma torre com 3 blocos de diferentes tamanhos (figura1). A posio dos blocos antes da montagem da torre especificada, juntamente com ainstruo de que a torre para ser construda sobre o bloco 1 em sua posio atual.
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Fig. 1 - Tarefa: construir uma torre com trs blocos de tamanhos diferentes

Os comandos necessrios para a colocao de um bloco sobre o outro so ilustrados pelafigura 2.:

1. V para o ponto 1;2. V para o ponto 2;3. Feche a garra (para levantar o bloco);4. V para o ponto 3;5. V para o ponto 4;6. V para o ponto 5;7. Abra a garra (para colocar o bloco);8. V para o ponto 6;


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Fig. 2 - Colocao do bloco 2 sobre o bloco 1: posies asssumidas

Os pontos 2 e 5 so aqueles nos quais o rob efetua uma operao sobre o bloco, portanto, muito importante que a garra esteja precisamente localizada nestes pontos em questo.

Os pontos 1, 3, 4 e 6 no exigem tal preciso, porque nenhuma operao executada neles,deste modo a preciso da posio da garra nestes pontos no importante. Eles estoincludos na trajetria apenas para criar o movimento vertical requerido para abaixar elevantar a garra. Os movimentos verticais so importantes para evitar que a garra danifique osblocos durante o movimento. Estes pontos so chamados de "dummy points" ou "via points".

Colocando o Bloco 2 sobre o Bloco 1: ensina-se o rob a ir nos pontos mostrados na figura2, pressionando chaves de um "manual teach pendant". Quando o rob alcana o pontodesejado, a chave de gravao pressionada; o controlador ento gravar em sua memria aposio de cada articulao (ngulo, alcance do vnculo) do brao do rob, assim como oestado da garra (aberto ou fechado). A velocidade tambm definida para cada ponto. No fimdo estgio de aprendizado, o controlador ter armazenado em sua memria 8 linhas de dados,uma para cada comando de movimentos. Ele memorizar a posio de cada articulao, oestado da garra e a velocidade. Na figura 2, o rob movimenta somente 3 juntas - base joint,


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shoulder joint e elbow joint. A srie de comandos armazenados na memria do controladorprovavelmente apresenta o aspecto representado pela tabela 1.

Tabela 1 - Valores das variveis de rob para colocar o bloco 2 sobre o bloco 1

Comandongulo

Base joint

ngulo

Shoulder joint

ngulo

Elbow joint

Estado da

GarraVelocidade

1 10 70 110 0 152 10 60 95 0 53 10 60 95 14 10 70 110 1 55 0 40 150 1 156 0 35 145 1 57 0 35 145 08 0 40 150 0 5

Obs:

1. Os nmeros acima servem somente para ilustrao.2. Estado da garra ( 0 = aberto e 1 = fechado).3. A alta velocidade reduz a preciso da trajetria, portanto usado somente entre dois

dummy points onde a preciso da trajetria no relevante. E a baixa velocidade usado para pontos prximos a um objeto ou quando efetuar um movimento deoperao sobre um objeto.

Colocando Bloco 3 sobre Bloco 2: A trajetria necessria para colocar o bloco 3 sobre obloco 2 ser ensinado pela definio das coordenadas cartesianas dos pontos ao longo datrajetria para o controlador do brao do rob, como mostra a figura 3. A definio dospontos ser feita pela programao Off-Line, portanto, deve-se definir as coordenadas dospontos ao longo da trajetria com grande preciso - particularmente o ponto no qual o robagarra o bloco 3 e o ponto onde o bloco 3 colocado sobre o bloco 2. A srie de comandosarmazenados na memria semelhante ao apresentado na tabela 2.


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Fig. 3 - Colocao do bloco 3 sobre o bloco 2: posies asssumidas

Tabela 2 - Valores das variveis de rob para colocar o bloco 3 sobre o bloco 2

Comando X Y ZEstado da

GarraVelocidade

9 9 0 16 0 1510 9 0 1 0 511 9 0 1 112 9 0 16 1 513 11 5 16 1 1514 11 5 17 1 515 11 5 17 016 11 5 16 0 5

Este estgio completa o processo de aprendizado da tarefa. A srie foi armazenada namemria do controlador, e ser chamada sempre que se quiser execut-la.


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EXECUO DA SRIE DE COMANDOS DATAREFA

O passo seguinte ao processo de memorizao da tarefa o de execuo da srie de comando.

O operador instrui o controlador a executar a srie, pelo nome atribudo a ela. O controladorpor sua vez recebendo esta instruo para executar a srie, acessa sua memria para chamar aprimeira linha do programa (que indica os ngulos das juntas (10, 70, 110), o estado da garra(0) e a velocidade (15). Antes de iniciar qualquer movimento, o controlador "l" a posiodas juntas do rob, atravs do encoder e calcula a diferena entre a posio ditada pelocomando 1 e a posio atual. Desta maneira o controlador move o brao para a posioindicada pelo comando 1. Sempre que o controlador reconhece que os valores desejados dasjuntas do rob no so iguais aos valores atuais, ele emite um comando de movimento, naforma digital. Este sinal digital convertido para um sinal analgico equivalente por umconversor Digital/Analgico (D/A). O sinal analgico amplificado por um amplificador dedrive para ativar uma unidade de drive. As unidades de drives, por sua vez, movimenta asjuntas diretamente ou por meio de engrenagens, eixos e correias (indirect drive). Osmovimentos combinados das juntas criam o movimento do brao, para mover o atuador ("endeffector") para o ponto desejado. Quando os comandos de 9 a 16 so executados (ver tabela2), o controlador deve primeiro transformar as coordenadas cartesianas listadas em seuprograma para a varivel de juno apropriada. Aps a traduo, seguem-se os mesmospassos descritos acima. A traduo da posio das coordenadas cartesianas para ngulos dasjuntas deve ser executado pelo controlador para cada movimento para um novo ponto. Emtrajetrias formadas de movimentos de linha reta entre dois pontos, os clculos de traduoso executados muitas vezes durante o movimento.

Uma parte importante do processo de controle do rob a regulao da velocidade do brao.No momento em que o atuador se aproxima do ponto em que deve parar, a velocidade serreduzida progressivamente at zero, pois, uma para repentina causaria uma trepidao, quereduziria a preciso de operao do rob. Atualmente os robs industriais apresentam umcontrole de velocidade automtica; quando o atuador se aproxima de uma certa distncia doponto em que deve parar, como definido pelo software, ocorre uma lenta e gradual reduoda velocidade at a parada total no ponto desejado. Os robs no so fatores isolados nasindstrias. Ao contrrio, eles so componentes integrados das clulas de trabalho, no qualeles podem executar operaes de produo ou realimentar outras mquinas.

CAPTULO NOVESENSORES

INTRODUO

Escritores de fico cientfica e futuristas descrevem os robs como mquinas semelhantes imagem do homem e que podem executar todas as suas tarefas. Neste captulo, ns nodiscutiremos a questo de semelhana fsica com o corpo humano. Entretanto, se robs


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jamais podero substituir o homem, devemos levar em conta os possveis avanos em duasreas que podem ser comparadas s habilidades humanas:

Desenvolvimento de inteligncia artificial - isto , aumentar a capacidade do robcompreender, entender e tomar decises partir das informaes colhidas por

sensores. Desenvolvimento de sensores - isto , o aumento da habilidade do rob em obterinformaes sobre o ambiente em que se encontra, bem como de suas prpriascaractersticas.

Neste captulo vamos considerar alguns aspectos relacionados com Inteligncia Artificialaplicada a robs, discutir a questo de sensores humanos versus sensores artificiais e detalharos principais tipos de sensores.

INTELIGNCIA ARTIFICIAL

A inteligncia a capacidade de entender, conhecer e aprender. Esta capacidade, no homem,tornou possvel a construo e o controle do mundo, enquanto animais com menorinteligncia continuam vivendo como h milhes de anos.

Robs com flexibilidade limitada no tem inteligncia, mas alguns robs podem fazerescolhas partir de dados colhidos de seu ambiente por sensores. Estes so chamados deinteligentes.

Atravs de sensores e de um processador integrado dentro do sistema do rob feita a suaadaptao ao ambiente. Os sensores podem ser simples (chaves On/Off) ou complexos(identificao em trs dimenses).

SENSORES HUMANOS X SENSORES ARTIFICIAIS

Alguns sensores artificiais apresentam um paralelo com os sentidos humanos,particularmente, viso, tato e ouvido. Outros, significamente importantes, no apresentamnenhum paralelo:

* Sensor de luz infravermelha : identifica fontes de calor.

* Sensor de proximidade : detectam a aproximao de algo rea do sensor.

* Sensor acstico : determinam a localizao e o movimento, como os morcegos e golfinhos.

Dos cinco sentidos humanos - viso, tato, ouvido, olfato e gosto - aqueles cujo paraleloartificial tem sido mais extensamente desenvolvidos so a viso e o tato. A viso do homem o principal mtodo de entrada de dados. A quantidade de informaes coletadas enorme.Muita pesquisa e desenvolvimento industrial tem sido gasto na tentativa de duplicar estacapacidade. Grandes esforos tambm tem sido investido no desenvolvimento de sensores de


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toque. Alm disso, alguns avanos tem sido feitos na rea dos sensores de escuta, como porexemplo a identificao de vozes.

Outras capacidades de sensoreamento presentes nos humanos no tem paralelo nos robscomo "sentir" acelerao, presso, ngulo e velocidade angular, o que permite o homem ficar

em p e andar.O sensor artificial comparado aos olhos humanos a cmera. Assim como o olho, cmerainclui uma lente, um obturador, e um sistema de deteco capaz de transmitir dados sobre aquantidade de luz incidente.

O sensor artificial de toque consiste de uma "pele" que pode, assim como a pele humana,enviar sinais sobre presso exercida sobre algum ponto. Os sensores podem tambm medirforas e momentos para os pontos de contato,

Os sensores de escuta artificial so os microfones, que traduzem as vibraes criadas no ar

pela fala, em sinais eltricos. Em todos esses casos o computador decodifica a informaofornecida plos sensores.

TIPOS DE SENSORES

Os sensores atualmente podem ser classificados de acordo com os princpios fsicos sobre osquais eles esto baseados (tico, acstico, e assim por diante) ou de acordo com asquantidades medidas (distncia, fora, e assim por diante). Entretanto, eles so habitualmentedivididos em dois tipos principais: sensores de contato esensores sem contato.

As principais informaes obtidas por sensores de contato so:

Presena ou no de um objeto em um lugar; Fora de "agarre"; Fora de momento; Presso; Escorregamento entre a garra e a pea; Conjunto.

As principais informaes obtidas por sensores sem contato so:

Presena ou no de um objeto em um lugar; Distncias; Movimentos; Posio de objetos; Orientao de objetos; Conjunto.

Temos ainda dispositivos que identificam condies internas dos robs, como corrente,posio dos links e velocidade dos links.
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SENSORES DE CONTATO

Os sensores de contato so aqueles que requerem um contato fsico com os objetos em seuambiente, alm de produzir um sinal de medida. Existem sensores de contato para vriosnveis de sofisticao. Desde sensores simples como microchaves (que so usadas para

identificar a presena ou ausncia de um objeto) at sensores complexos como "pele"artificial contendo centenas de elementos sensitivos que transmitem informaes sobreorientao, dimenso, presso exercida, e assim por diante.

Os sensores de contato, por natureza, iniciam a alimentao de dados somente aps o contatofsico ter sido feito entre o rob e o seu ambiente. O contato deve ser feito de um modocontrolado; o brao do rob deve ser movido para a zona de contato devagar ecuidadosamente para evitar a danificao do sensor.

A principal vantagem deste tipo de sensor a preciso de suas medidas. Os sensores decontato podem ser divididos em duas categorias, de acordo com a sua posio em relao ao

brao do rob :

Sensores posicionados para os seus prprios pontos de contato. Eles permitem amedio da presso, presena de um objeto, identificao de chapas, e assim pordiante.

Sensores posicionados para o pulso ou dedos do rob. Eles permitem a medio dadireo de processos ocupando lugar para os pontos de contato.

Os sensores de contato podem ser classificados em: sensores de contato simples, superfciessensoras de mltiplo contato,lminas de contato,sensores de escorregamento,sensor de peloe sensores de fora e momento.

Sensores de contato simples:Os sensores de contato mais simples so aqueles que permitem a medio em um eixo etransmitem somente duas possveis informaes:

O contato existe entre o sensor e o objeto; O contato no existe.

O controlador do brao usa este dado para voltar para sub-rotina apropriada, ou procedimentode suporte. A figura 1 ilustra um sensor chave com duas posies instalado em uma garra.Este sensor diz ao controlador se a garra est, ou no, segurando um objeto. O controlador

pode dizer, atravs dos dados, se a produo est ocorrendo normalmente ou se o rob estsendo alimentado por partes curtas. Neste caso, o controlador interrompe o trabalho e sinalizaum mal funcionamento.
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Fig. 1: Sensor usado na identificao de presena ou no de objetos

Este tipo de sensor comumente usado em sistemas automticos, desde que ele seja simples,barato, seguro e possa fornecer dados vitais.

Superfcies sensoras de mltiplo contato:Uma superfcie sensora de mltiplo contato uma combinao de um nmero de sensores decontato simples localizados em grandes concentraes sobre uma superfcie simples. Cadaum desses sensores envolvidos pode alimentar um sinal eltrico proporcional quantidade defora exercida sobre ele. Quando um objeto posicionado sobre uma superfcie sensora decontato, todos os sensores em contato com a parte enviam sinais para um processador central,obtendo-se um desenho aproximado da parte. Este processo mostrado na figura 2.

Fig. 2 : Superfcie sensitiva

Os sinais recebidos da superfcie so processados e transmitidos para o controlador do rob,que os usa para decidir onde mover o brao alm de carregar a operao relativa.


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Os sensores acoplados ao brao do rob, como mostrado na figura 3, podem fornecer poucasinformaes sobre a chapa das partes em contato com o sensor, mas as informaes sobre oatuador mais precisa.

Fig. 3 : Garra com uma superfcie sensitiva instalada

Este tipo de sensor apresenta as seguintes desvantagens:

1. Tamanho fsico dos sensores atuais;2. Distoro causada por ligao, ou fio comum, entre as leituras de sensores adjacentes;3. O nmero incomodo de sensores requeridos;4. Danificao das superfcies sensoras, bem como a perda da sensibilidade nos

elementos sensitivos se eles so produzidos mais rgidos.

Lminas de contato:Este tipo de sensor pode ser usado em situaes onde informaes precisas para o ponto decontato entre o rob e o objeto no so desejadas, isto , onde somente h a necessidade de

confirmar a coliso entre o rob e um objeto no ambiente. O sensor consiste de uma chapa dematerial flexvel, que muda a sua resistncia quando pressionada.

Sensores de escorregamento:Os robs que seguram objetos frgeis devem peg-los levemente para evitar a danificao doobjeto, mas apertado o bastante para impedir que ele escorregue para fora da garra.


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Na recepo de um sinal de movimento do objeto pelo sensor de escorregamento, a garraautomaticamente incrementa a sua fora vagarosamente at o movimento parar.

O sensor de escorregamento deve ser capaz de detectar no somente o movimento, mas aposio do objeto aps o escorregamento. Esta informao ajuda o rob a "conhecer" a exata

posio e orientao do objeto escorregado, assim como ele pode continuar a operao sem adanificao do objeto.

Em todas as aplicaes que utilizam sensores de escorregamento, a acelerao edesacelerao dos robs deve ser consideradas. O aperto serve ser firme o bastante parasegurar o objeto equilibrado sobre as mais extremas mudanas na velocidade.

Sensores de pelo :O nome deste sensor indica o seu modo de operao. Os sensores de pelo so varas leves esalientes do atuador. Como os plos de um gato, eles sinalizam o contato com algum objetono ambiente. A figura 4 mostra um sensor deste tipo de operao.

Fig. 4 - Sensor de plo

O contato com um objeto externo move o pelo, causando a transmisso de um sinal eltrico.O controlador ento obtm instrues apropriadas para o brao do rob.

Estes sensores so extremamente delicados e sensveis choques. Portanto, elesfreqentemente quebram. Entretanto, eles tem algumas aplicaes prticas.

Por exemplo, eles podem ser usados para medir os contornos e superfcies de objetos, comomostra a figura 5.


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Fig. 5 - Sensor de plo usado no controle de soldagem

Sensores de fora e momento:Devido sua grande utilizao em vrias reas da engenharia, estes sensores esto bastantedesenvolvidos e so um dos mais usados em robtica.

As foras e momentos em um rob so medidos em relao ao ponto onde os sensores estoconectados e no em relao ao ponto de contato do atuador em relao ao meio ambiente.

Em geral estes sensores so montados ente o ltimo link do brao do rob e a garra ouferramenta, figura 6, mas em alguns casos estes sensores so montados dentro dos dedos dasgarras, figura 7.


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Fig. 6 : Sensores de fora e momento montados entre a garra e o link.

Fig. 7: Sensores fora e momento montado sobre a garra.

Normalmente a medio da fora ou momento feita atravs alterao da forma causada pelaaplicao de uma fora.


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Esta variao sentida pelo sensor de tenso (strain gauge) que so pequenos pedaos dematerial condutivo colado ao objeto que sofre ao de uma fora momento.

Objetos tendem a se deformar quando submetidos a foras. A mudana na forma chamadaSTRAIN. O sensor de tenso sofre a mesma deformao que o objeto. O sensoreamento

feito atravs de unidades de resistncia eltrica juntamente com a tenso passadas para ocontrolador para o processamento e envio de sinais apropriados. Figura 8.

Fig. 8: Reao de um strain gauge com carga.

A relao entre a fora aplicada e a mudana de resistncia pode ser descrita por :

R = C x F x L

R = variao da resistncia.

F = fora atuante sobre a viga.

L = distncia entre a linha de atuao da fora atuando na viga e o sensor de tenso.

C = coeficiente constante.

O produto fora pela distncia descreve o momento na localizao do sensor como resultadoda fora F. Esta equao s utilizada quando L conhecida. Quando um momento aplicado na viga, o sensor o identifica independente do ponto aplicado, como mostra a figura9.


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Fig. 9: Reao do momento para uma fora axial

A equao para este caso :

R = C x M

onde

M = momento na localizao do sensor de tenso.

Para a medio da fora e do momento, deve-se adicionar outro sensor de tenso.

A fora e o momento atuantes podem ser descritos por:

RA + RB = C1 x F

RA - RB = C2 x M

Onde,

RA = mudana na resistncia do sensor A

RB = mudana na resistncia do sensor B

C1, C2 = constantes

Os valores RA e RB so lidos do sensor de fora e F e M so tirados das equaes.


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Existe a possibilidade de se usar muitos sensores para a medio de foras nos 3 eixos e dosmomento relativos a cada eixo. Um caminho para medir foras e momento nos 3 eixos mostrado na figura 10.

Fig. 10: Sensor de fora e momento em 3 eixos.

Normalmente feito a medio dos momentos das foras e no das foras diretamente. Estemtodo permite maior sensibilidade de medio.

Os dedos da garra do rob podem ser consideradas como vigias atadas ao brao do rob noqual sensores de tenso esto colados. A fora atuante nos dedos tem direo vertical e podeser obtido por:

F = R / (L x C)

onde

L = distncia entre o strain gauge e o ponto onde o objeto preso.

Devido as diferenas entre os objetos a serem pegos, adiciona-se um par de clulas straingauge como ilustrado na figura 11. Sendo assim, podemos ter diferentes pontos ao qual asforas so aplicadas.


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Fig. 11: Strain gauge usados para medir foras

O momento criado pelo ponto 1 pela aplicao da fora F definida como:

M1 = F x L1

E para o ponto 2 temos:

M2 = F x L2

E pode ser derivado destas equaes, como mostrado abaixo:

F = (M2 - M1) / (L2 - L1), onde

L2 - L1 constante e igual a distncia entre os pares de strain gauge.

Da ltima equao apresentada, observa-se que o valor da fora F sobre os dados da garra,pode ser determinado sem medidas precisas da localizao de cada fora aplicada.

Aplicao dos sensores de fora e momento:Usa-se como exemplo o apertar parafusos, uma operao montona e comum. Quando realizado por humanos, esta tarefa requer a ativao de sensores de fora e momento e, paraque seja realizada por robs, estes tambm devero possuir sensores de fora e momento,como representado na figura 12.


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Fig. 12: Uso de sensor de fora e momento na operao de parafusar para juntar duas placas

As operaes envolvidas neste processo so:

Agarre o parafuso. O sensor utilizado para determinar se o parafuso foi bem preso; Posicionamento do parafuso; Apertar o parafuso. O sensor utilizado para exercer fora constante sobre o parafuso

na direo de aperto; Interromper o aperto do parafuso. O sensor utilizado para identificar o final do

movimento de aperto.

Numa primeira operao, o rob utiliza um encaixe automtico para prender a cabea doparafuso. O sensor de fora identifica a adio de peso e a partir de um sinal enviado para o

computador que controla o brao, o processo vai para a prxima operao.

Numa segunda operao, o rob posiciona o parafuso, apertando-o sobre a chapa. O rob notem noo da fora a ser aplicada no aperto e atravs de um sensor de fora em sinal enviado para o computador indicando que uma forte fora est sendo aplicado sobre oparafuso. O rob para o trabalho e o controlador para resetar o programa.

A forte fora exercida sobre o parafuso pode ser devido as seguintes circunstncias:

O furo superior da chapa foi colocado errado ou no existir; O furo pequeno ou o parafuso largo;

A garra colocada errada.

Numa terceira operao, o parafuso apertado, a partir da aplicao de uma fora constantesobre a cabea do parafuso.

Numa quarta operao, o aperto do parafuso interrompido. Quando o parafuso chega aofinal de seu curso, o sensor notifica um incremento de momento do parafuso para ocontrolador.


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Uso dos sensores de fora e momento na finalizao:A figura 13 mostra um rob polido uma pea. O processo de polimento controlado por umsensor de fora e momento. Esta operao envolve a aplicao de uma fora constante sobrea pea. A falta destes sensores envolve 2 problemas:

A necessidade de ensinar para o rob um caminho extremamente preciso; O fato que as dimenses da pea so reduzidas durante o processo.

Fig. 13: Rob controlado por sensores de fora e momento.

A adio de sensores nesta operao permite que o sistema retenha a trajetria das forasexercidas entre o polidor e a pea, com isso temos que o uso dos sensores produz uma

preciso necessria para a tarefa.

Problemas do uso de sensores de fora e momento:Aqui podemos citar como problemas a medida de valores indesejveis juntamente comvalores de tenso e momento, apesar de muitas vezes esses valores serem desprezveis.


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Outro problema que os sensores normalmente so expostos a danos fsicos, os quais podemser resolvidos com a construo de uma estrutura para absorver choques mecnicos, comomostra a figura 14.

Fig. 14: Proteo para sensores de fora.

O desenvolvimento destes sensores est ainda em um estgio inicial e seus problemasgradativamente solucionados, propiciando assim ao uso cada vez mais intenso dos mesmos.

SENSORES SEM CONTATO

Nestes tipos de sensores no se tem o contato fsico com o objeto a ser medido. Asinformaes so colhidas distncia, logo so menos expostos a danos fsicos que ossensores de contato.

Usa-se nestes tipos de sensores um princpio de transferncia de ondas, que so aplicadas distncia do objeto.

Os mtodos de identificao utilizados nos sensores sem contato so:

Identificao de um detetor simples, por meio de um sensor simples ; Identificao ao longo de uma linha, por meio de um vetor de sensores; Identificao por toda rea, por meio de uma cmera ou matriz sensitiva.

Identificao de uma pea com um detetor simples :Feito por meio de um sensor tico, cujo princpio de operao baseado na identificao dafonte de luz por meio de um detetor simples, ilustrado na figura 15.
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Fig. 15: Um detetor simples

Observando a figura 15, temos que a fonte de luz e o detetor so fixados em lados opostos esteira. Quando a caixa passa pelo ponto onde a fonte de luz bloqueada, o detetor sinalizaao controlador a presena da caixa e ativa o brao do rob para pegar a caixa e mov-la.

O princpio do sensor de proximidade tica ilustrado na figura 16.


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Fig. 16: Sensor de proximidade tico

A distncia entre o sensor e a superfcie prxima :

X = L1 x XD / ( L - L1 )

sendo:

X = distncia entre o detetor e a superfcie do objeto;

L = distncia entre a fonte de luz e o detetor;

L1 = distncia entre a fonte de luz e a cavidade do pino;

XD = distncia entre o detetor e a cavidade do pino ao longo de X.


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Estas variveis possibilitam uma identificao eficiente da proximidade entre o brao e oobjeto. Uma recepo do sensor faz co

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