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Universidade Federal de Campina GrandeDepartamento de Engenharia Elétrica

Disciplina: Automação Industrial 2011.2Professor: George Acioli Júnior

ROBÓTICA INDUSTRIAL

Automação Industrial Robótica Industrial

Débora Diniz de Melo e Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira

31 de Outubro de 2011

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Origem da Palavra

• A palavra “robô” origina-se da palavra tcheca “robotinik” que significa servo.

• Foi usada pela primeira vez pelo dramaturgo Karel Capek em 1921 na peça teatral Rossum’s Universal Robots(R.U.R).

• A peça retratava a criação de robôs para substituir o homem nos trabalhos pesados.

• O robô começa então a ser visto como uma máquina “humana” com inteligência e personalidade.

Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011

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Evolução da Robótica


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Evolução da Robótica• Em 1940 o escritor norte-americano Isaac

Asimov estabelece quatro leis muito simples para a róbotica:1. Um robô não pode ferir um ser humano ou, por

omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal.

2. Um robô deve obedecer as ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos em que tais ordens contrariem a Primeira Lei.

3. Um robô deve proteger sua própria existência desde que tal proteção não entre em conflito com a Primeira ou a Segunda Lei.

4. Lei Zero : Um robô não pode fazer mal à humanidade e nem, por inacção, permitir que ela sofra algum mal(escrita em 1984)

• Essas leis foram elaboradas pelo escritor em seu livro de ficção I, Robot ("Eu, Robô") que mais tarde chegou aos cinemas estrelado pelo ator Will Smith.


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Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial

• Em 1954, George Devol cria a patente de um equipamento chamado “Programmed Article Transfer”(Máquina de Transferência Programada),a qual sua principal função era a transferência de objetos de um ponto a outro.

• Em 1956 George Devol e Joseph Engelberger formam a primeira empresa de robôs industriais chamada UNIMATION.

• Em 1961 o primeiro produto da UNIMATION chamada “Unimate” foi instalada na planta da GM em Trenton,New Jersey.


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• Em 1969 Victor Scheinman inventou na Universidade de Stanford, um robô articulado de 6 eixos,que ficou conhecido como braço de Stanford.

• Isto permitiu que o robô fosse capaz de aplicações mais sofisticadas como montagem e soldagem.

• Sheinman vendeu seus projetos para a Unimation, a qual o desenvolveu com o auxílio da GM e posteriormente o comercializou como a Máquina Programável Universal para Montagem(PUMA).

• Em 1973 a empresa “KUKA Robotics” constroi seu primeiro robô articulado de 6 eixos conhecido como “FAMULUS”

• Em 1974 a empresa “Cincinnati Milacron” introduz o primeiro robô industrial controlado por computador que move objetos em uma linha de montagem denominado T3(The Tomorrow Tool).


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Vantagens da Robótica Industrial

• Aumento na produtividade e na rentabiliadade.

• Melhoria da qualidade devido a padronização de produtos.

• Evita desperdícios e refugos.• Menor demanda de mão-de-obra

especializada.• Operação em ambientes difíceis e

perigosos.• Operação de tarefas repetitivas e

desagradáveis para o ser humano.


Tempos Modernos do cineasta Charles Chaplin


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Vantagens da Robótica Industrial

• Capacidade de trabalho por longos períodos sem interrupção.


Vida Útil = 6 Anos Trabalho = 22 Horas/DiaDias = 7 dias da SemanaValor Unico = US$ 17 mil

Vida Útil = 30 Anos Trabalho = 8 Horas/Dia

Dias = 5 dias da SemanaValor Anual = US$ 13 mil

48 Mil Horas de Trabalho

48 Mil Horas de Trabalho

OBS:Estudo conduzido no Japão em 1983 referente ao ano de 1981;


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Desvantagens da Robótica Industrial

• Decréscimo do nível de emprego nas atividades industriais.

• Robôs substituem dezenas ou até centenas de homens em uma linha de produção.

• A OIT(Organização Internacional do Trabalho) recomenda que para reduzir as altas taxas de desemprego é necessário a:– Redução da jornada de

trabalho para 30 horas semanais

– Criação de empregos no setor de serviços sociais como saúde e educação.


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Conceituação da Robótica Industrial

• Um robô industrial se trata de um braço mecânico motorizado e programável que apresenta características antropomórficas.

• O computador guarda em sua memória um programa que detalha quais movimentos devem ser feitos.


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Conceituação da Robótica Industrial

• Classificação de um Sistema Automatizado– Automação Rígida: Máquinas não reprogramáveis.

– Automação Flexível: Máquinas reprogramáveis.

• Funcionalidades e Habilidades de um Robô– Robôs de Primeira Geração: Incapazes de obter

qualquer informação sobre o meio.

– Robôs de Segunda Geração: Capazes de se comunicar com o ambiente através sistemas de sensoriamento e identificação.


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Mercado da Robótica Industrial• Por muito tempo o único concorrente da

Unimation foi a Cincinnati Milacron.• Durante os anos 70,o Japão se recusou a seguir

as leis de patentes internacionais permitindo que um grande número de empresas japonesas copiassem as patentes americanas e iniciassem a produção de robôs industriais similares.

• O interese em robótica industrial cresceu no final dos anos 70 e muitas empresas americanas resolveram entrar nesse campo.

• As grandes General Eletric e General Motors se associaram com a japonesa FANUC Robotics.

• Em 1984, a Unimation foi adiquirida pela Westinghouse Eletric Coorporation por 107 milhões de doláres.

• Em 1988 a Unimation foi vendida para a francesa Staubli Faverges SCA.

• Atualmente, as empresas mais importantes no mercado mundial são: Adept Technology, Staubli-Unimation, ABB Asea Brown Boveri e a KUKA RObotics.

• No mercado brasileiro as principais marcas utilizadas são a FANUC , ABB e a KUKA .


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Principais Marcas Utilizadas no Mercado Brasileiro

• Multinacional com sede em Oshinono Japão.

• Abreviatura de Fujitsu Automated Numerical Control.

• 18% do Mercado Brasileiro.

4Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011

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• Multinacional com sede em Zurique na Suiça.

• A ABB resulta da fusão em 1988 de duas grandes empresas: a sueca Asea e a suíça Brown Boveri.



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• Multinacional com sede em Augsburgo na Alemanha.

• Seus fundadores são Keller e Knappich.

• O nome da empresa KUKA é uma abreviatura de Keller und Knappich Augsburg.



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Aplicações dos Robôs nas Indústrias


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ASPECTOS CONSTRUTIVOS DE MANIPULADORES ROBÓTICOS

Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 2 / 30

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Aspectos construtivos de manipuladores robóticos

• Elementos mecânicos

• Configurações de robôs

• Sensores e atuadores


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Elementos Mecânicos

- Mobilidade do manipulador depende do número de vínculos e juntas que o mesmo possui

- Requisitos: - Baixa inércia;- Baixo atrito- Elevada rigidez

4Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 4 / 30

Figura 01– Junta e vínculos de um braço robótico

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Juntas:

– O número de juntas, determina o grau de liberdade do robô;

– Com menos de seis graus de liberdade não se alcança todos os pontos do ambiente, com mais de seis, o robô é redundante

4Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 4 / 30

Figura 02 – Eixos de um robô

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Tipos de Juntas:

• Juntas deslizantes

Permite o deslocamento linear dois

vínculos

Figura 03 – Junta deslizante

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Tipos de Juntas


• Juntas de rotação

Permite o movimento de rotação entre os vínculos

Figura 04 – Junta de rotação

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Tipos de Juntas


• Juntas de bola-e-encaixe

Permite a combinação de três juntas de rotação, o movimento se dá em torno de três eixos

Figura 05 – Junta de bola-e-encaixe

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Tipos de Juntas


• Juntas de três juntas rotacionais

Permite o movimento de três juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentação se cruzam em um ponto

Figura 06 – Junta de três juntas rotacionais

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Graus de liberdade e Graus de movimento


Figura 07 – Esquema dos graus de liberdade

• Graus de liberdade

Localização de um objeto no espaço euclidiano

• Posicionamento

(três graus de liberdade: X, Y, Z)

• Orientação

(três graus de liberdade: θX, θY, θZ)

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Graus de liberdade e Graus de movimento


• Considerações:

– Número máximo de graus de liberdade: 6 – Graus de liberdade associados à capacidade do robô posicionar e

orientar o seu elemento– Graus de movimento podem ou não corresponder a – Manipulador redundante: GDM > GDL

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Configuração física do robô


• Configurações Série

– Cartesiana– Cilíndrica– Polar– Articulada ou revoluta– SCARA

• Configurações Paralela

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• Robô de coordenadas cartesianas:

Pode se mover em linhas retas, a

localização da garra pode ser achada em coordenadas cartesianas

Figura 08 – Robô de coordenadas cartesianas

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- Estrutura modular

- Controle de movimentos e programação simples

- Estrutura rígida

- Capacidade de carga elevada

- Precisão elevadaFigura 09 – Junta de três juntas rotacionais

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Figura 10 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô de coordenadas cartesianas

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• Robô de coordenadas cilíndricas:

Combina movimentos rotacionais e lineares, o movimento dos eixos descrevem um cilindro

Figura 11 – Eixos de cilíndricos de robô

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Figura 12 – Eixos de robô cilíndricos

• Robô de coordenadas cilíndrica:

- Controle de movimentos e programação simples

- Possível velocidade de operação elevada

- Precisão boa

- Boa acessibilidade frontal e lateral

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• Robô de coordenadas cilíndrica:

Figura 13 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô de coordenadas cilíndricas

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Figura 14 – Eixos de robô esféricos

• Robô de coordenadas esféricas:

Combina dois movimentos rotacionais com um linear.

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Figura 15– Eixos de robô esféricos


- É necessário grande espaço para trabalho

- Controle mais complicado do que o cilíndrico, devido aos movimentos de rotação

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Figura 16 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô de coordenadas esféricas

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Figura 17 – Eixos de robô articulado

• Robô de coordenadas de revolução:

Possui três juntas de revolução (RRR). Atende requisitos da indústria automobilística, assemelha-se ao braço humano

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- Controle é complicado;

- Excelente manobrabilidade;

- Elevada velocidade de operação

- Fácil acesso ao espaço frontal, lateral, superior e retaguarda

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Figura 06 – Junta de três juntas rotacionais

Figura 19 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô de coordenadas revolução

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• Robô do tipo SCARA: (Selective compliance assembly arm)

Combinação de eixos de movimento rotativo num plano horizontal com um movimento linear vertical (RRP)

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• Robô do tipo SCARA: (Selective compliance assembly arm)

- Estrutura vocacionada para operações de montagem;

- Excelente manobrabilidade;

- Elevada velocidade de operação

- Precisão e repetitividade elevadas

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• Robô do tipo SCARA:

Figura 22 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô do tipo SCARA

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• Configuração paralela:

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• Garras Mecânicas

– Pneumático

– Elétrico

– Mecânico

– Hidráulico

• Garras Magnéticas

• Garras de Sucção

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• Garras Mecânicas

– Garra de dois dedos;

– Garra de três dedos;

– Garra para a preensão de objetos cilíndricos;

– Garra para a preensão de objetos frágeis;– Garra articulada.

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Figura 24 – Garras de dois dedos (a) movimento rotativo (b) movimento paralelo

• Garra de dois dedos

– Vantagem: Comum

– Desvantagem: Limite de abertura

a)

b)

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Figura 25 – Garra de três dedos

• Garra de três dedos

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Figura 26 – Garra de três dedos

• Garra de pressão de objetos cilíndricos

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Figura 27 – Garra de pressão de objetos frágeis

• Garra de pressão de objetos frágeis

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Figura 28 – Garra articulada

• Garra articulada

– É projetado para objetos de diferentes tamanhos e formas

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Figura 29 – Garra magnética

• Garra magnética

– Vantagens: pouco tempo e se adapta ao tamanho das peças

– Desvantagens: deslizamento lateral e impossibilidade de apanhar apenas uma chapa

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Figura 30 – Garra articulada

• Garra de sucção

Baseia-se na existência do vácuo

–Objetos planos, lisos e limpos

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Sensores


• Internos ou proprioceptivos:

– Informações sobre variáveis internas

– Realiza tarefas pré-programadas, repetitivas.

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Sensores


Figura 31 – Encoder

• Exemplos:– Encoders

Transforma movimento angular em pulsos de onda quadrada

• Sentido da rotação• Posição • Velocidade

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Sensores


• Externos ou exteroceptivos:

– Informações sobre o ambiente

– Realiza tarefas complexas, tal como inspecionar

qualidade das peças e agarrar objeto em posição

aleatória

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Sensores


• Exemplos:

Figura 32 – Sensores externos. Ultrasônico e capacitivo

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Atuadores


• Principais requisitos:

– baixa inércia

– elevada aceleração

– gama de velocidade alargada

– boa relação peso – potência

– manutenção simples

– eficiência energética

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Atuadores


Tipos de acionamento

• Movimento: rotação e deslizamento

• Acionamento: elétrico, hidráulico e pneumático

• Conexão: direto e indireto

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Atuadores


• Acionamento elétrico:

– Vantagens: • Eficiência calculada, controle preciso• Envolve uma estrutura simples e fácil manutenção• Não requer uma fonte de energia cara• Custo relativamente pequeno

– Desvantagens: • Sujeitos a danos para cargas pesadas suficientes para

parar o motor• Baixa razão de potência de saída do motor e seu peso,

necessitando um motor grande no braço

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Atuadores


• Acionamento elétrico:

Figura 33 – Unidade de acionamento elétrico

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Atuadores


• Acionamento hidráulico:– Vantagens :

• Precisão de operação (menor que o elétrico e maior que o pneumático)

• Pode manter um alto momento para um longo período de tempo, quando parado

– Desvantagens:• Requer uma fonte de energia cara• Requer uma manutenção cara e intensa• Requer válvulas de precisão caras• Está sujeito a vazamento de óleo

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Atuadores


• Acionamento hidráulico:

Figura 34 – Unidade de acionamento hidráulico

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Atuadores


• Acionamento pneumático:

– Vantagens: • Podem operar em velocidades extremamente altas• Custo relativamente pequeno• Fácil manutenção

– Desvantagens: • Não possui alta precisão• Esta sujeito a vibrações quando o motor ou cilindro

pneumático é parado

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Atuadores


O driver elétrico: – Alta precisão de posição;– Transferência de carga de tamanho pequeno e médio;– Pequenas ambientes para sistemas de compressores de

óleo e ar;

O driver hidráulico:– De média para alta precisão na localização e velocidade;– Transferência de cargas pesadas

O driver pneumático:– Necessidade de baixo custo;– Baixa precisão– Altas velocidades;– Transferências de pequenas e médias cargas.

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Bibliografia


• ROSÁRIO, João Maurício, Princípio de Mecatrônica - São Paulo, Prentice Hall - 2005

• Fu, K. S., Gonzalez, R. C., Lee, C. S. G. Robotics: Control, Sensing, Vision and Intelligence.McGraw-Hill, 1987

• SCIAVICCO, Lorenz and Siciliano, Bruno. Modeling and Control of Robot Manipulators. Springer Verlag, 2000

• GROOVER, M. P. ; Weiss, M., Nagel, R; Odrey, N.G. Industrial Robotics - Technology, Programming and Applications. McGraw-Hill, 1986

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