história e a evolução da robótica

Robôs Manipuladores Industriais Por J. NORBERTO PIRESSegunda-feira, 8 de Julho de 2002

O advento, no século XIX, de máquinas-ferramenta capazes de produzir componentes com elevada precisão, a disponibilidade de várias fontes de energia para actuação - hidráulica, pneumática e eléctrica -, os conceitos sobre transmissão mecânica, motores, suspensões, a disponibilidade de sensores, etc., tudo isto permitiu construir, entre outras, máquinas que permitiam emular o "braço humano". É do aparecimento dessas máquinas e da sua evolução que nos ocuparemos a seguir.

O "braço humano" é constituído por uma junta de três graus de liberdade - o ombro -, seguida de uma junta de um grau de liberdade - o cotovelo - e, por fim, outra junta com três graus de liberdade - o punho. Tem, portanto, sete graus de liberdade e é redundante, ou seja, não tem configurações singulares.

A existência de configurações singulares significa a perda de mobilidade nesses pontos, pelo que uma estrutura livre de singularidades seria, em primeira análise, preferível. No entanto, a grande maioria dos robôs manipuladores tem geralmente seis eixos: os necessários para atingir qualquer posição/orientação no espaço de trabalho do robô. Se as configurações singulares forem conhecidas, é possível evitar passar por elas, mantendo, assim, o robô manipulador controlado.

Como num "braço humano", os robôs manipuladores usam geralmente as primeiras juntas para posicionar a estrutura formada pelas juntas seguintes, denominada 'punho', que é utilizada para orientar o elemento-terminal. As juntas utilizadas para posicionamento formam a estrutura denominada 'braço': no homem, correspondem às juntas do ombro e do cotovelo. Um robô manipulador também usa as juntas do braço para a função de posicionamento e as juntas do punho para a função de orientação. Em robótica de manipulação, existem cinco tipos principais de braços: cartesiano, cilíndrico, polar, revolução e SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm).

As juntas que seguem o braço formam, como já se disse, a estrutura denominada 'punho', por analogia com o braço humano. O punho tem geralmente duas configurações: "pitch-yaw-roll" (YXZ), como o punho humano, ou "roll-pitch-roll" (ZYZ), também denominado punho esférico. Este ultimo tipo de 'punho' é o mais usado em robótica de manipulação devido à sua maior simplicidade. No entanto, é uma estrutura que apresenta configurações singulares, as quais, depois de identificadas, podem ser evitadas, mantendo assim o robô manipulador controlado.

Os primeiros trabalhos em robótica de manipulação podem ser encontrados alguns anos após o fim da Segunda Guerra Mundial. Máquinas do tipo Master-Slave foram introduzidas e desenvolvidas para manipular materiais perigosos, como os materiais radioactivos (1940-50). Podemos citar o "gantry-robot" - desenvolvido pela General Mills Corporation (EUA) em 1950, o "Planetbot" (1957), que foi o primeiro robô manipulador comercial com

coordenadas polares - e o robô desenvolvido por Norman Diedrich no Instituto Case, da Western Reserve University (em Cleveland, também nos EUA), que foi o primeiro manipulador eléctrico com juntas de revolução.

O primeiro robô industrial, o Unimate (Fig. 1), foi desenvolvido por George Devol e Joseph Engelberger na empresa norte-americana Unimation Inc. (1959-62). Esse robô era programado através de um computador e podia ser usado em várias aplicações desde que devidamente reprogramado e equipado com as ferramentas próprias. Embora muito poderosa para época, tornou-se óbvio que a flexibilidade e a adaptabilidade desta nova ferramenta poderia ser largamente melhorada usando retroacção sensorial.

A investigação e o desenvolvimento levados a cabo durante os anos 50 e 60 conduziu ao desenvolvimento dos primeiros robôs controlados por computador (com retroacção sensorial), como o T3 - Tool of The fuTure (Fig. 2), produzido pela Cincinatti Millacron em 1974 e comercializado a partir de 1978. A divisão de robótica da Cincinatti foi entretanto comprada pela ABB, que ainda tem esta linha de produtos, os robôs manipuladores. Outro exemplo dos primeiros robôs controlados por computador foi o braço de Stanford, surgido em finais dos anos 60 e início dos anos 70, e que deu origem mais tarde ao Puma da Unimation Inc., em 1978 (Fig. 3), que usava também retroacção de força e visual.

Outros exemplos ainda dos primeiros robôs controlados por computador foram o manipulador da IBM (1975) e o já referido SCARA, desenvolvido em 1978-79 e produzido por vários fabricantes - o primeiro dos quais foi a Sankio Seiki.

Os manipuladores mecânicos evoluíram muito desde essa altura e várias técnicas de controlo foram propostas para os controlar. No entanto, muito trabalho tem ainda de ser feito, nomeadamente em termos de programabilidade, controlo de força, retroacção visual, integração sensorial e até sobre a novas estruturas mecânicas e novos materiais conduzindo a robôs mais leves e flexíveis (Figuras 4 a 9).

Actualmente, um robô manipulador industrial é constituído por vários elos rígidos ligados em série por juntas, tendo uma das extremidades fixa (base) e outra livre para se mover (elemento terminal). As juntas são geralmente actuadas por motores eléctricos - sendo actualmente e em geral motores trifásicos síncronos -, embora também se usem actuadores pneumáticos e hidráulicos. Um sistema de controlo computadorizado é usado para controlar e supervisionar o movimento do robô, recorrendo a informação sensorial para obter o estado do robô e do ambiente - posição das juntas recorrendo a sensores de posição, força de contacto usando sensores de força/momento, distância a objectos, etc. Isto é, o "software" de controlo de movimento que corre nesse sistema utiliza a informação sensorial para calcular os sinais de controlo necessários a fim de obter o movimento desejado e enviar esses sinais aos actuadores.

Apesar de alguma sofisticação, os robôs actuais são utilizados em vários ambientes de produção automatizados, executando tarefas repetitivas em linhas de montagem.

Sistemas flexíveis de produção e robótica de manipulação industrial

A robótica trata de máquinas multifuncionais e reprogramáveis, que podem executar tarefas normalmente associadas a seres humanos, possuindo também a capacidade de identificar alterações nas condições e restrições colocadas pela tarefa e/ou pelo meio envolvente, a capacidade de decidir quais as acções que devem ser tomadas e de planear a sua execução.

O desenvolvimento deste tipo de máquinas introduziu um elevado grau de flexibilidade nos ambientes de produção actuais, dada a sua flexibilidade de utilização em diferentes tarefas através de simples adaptações: mudança de ferramenta e reprogramação. Hoje em dia, os sistemas de produção automatizados são fundamentais para as economias modernas, visto que a riqueza dos países (o seu Produto Nacional) depende essencialmente das suas instalações de produção: a riqueza cultivada ou extraída emprega tipicamente menos de 10 por cento da população activa e contribui muito pouco para a riqueza nacional.

Por isso, os sistemas de produção actuais são cada vez mais sistemas flexíveis. A automatização rígida que caracterizou as décadas de 50 a 80 - denominado o período de ouro para a produção industrial -, assente em máquinas dedicadas de elevada capacidade de produção, não se adapta aos novos tempos. Actualmente, a enorme diversidade de produtos, o desaparecimento das fronteiras comerciais, aliada à exigência de maior qualidade a mais baixo preço, torna o ciclo de vida dos produtos muito curto.

Assim, as empresas funcionam geralmente com produções em pequena ou média escala ("small/medium batch manufacturing"), em que a definição do produto é feita muitas vezes pelo cliente ("job-shop manufacturing"). Isso é incompatível com sistemas de produção rígidos, vocacionados para produção em larga escala de um determinado produto ou tipo de produto. Para além disso, as características de mercado favorecem a denominada "Zona da Robótica" e é muito por isso que se tem assistido a uma robotização crescente das estruturas produtivas (ver Quadros I a III).

Os robôs manipuladores, dada a sua facilidade de programação e a sua adaptabilidade a diferentes situações e condições de funcionamento, podem executar uma grande diversidade de tarefas, muitas delas de uma forma quase humana. Também isso contribui para explicar a razão por que estas máquinas são cada vez mais usadas nas actuais instalações de produção.

O que estes números evidenciam com clareza são as "motivações" e os "custos" da introdução de robôs num qualquer processo produtivo. As "motivações", apesar de interessantes, são ainda algo limitadas e os "custos" são ainda grandes no plano económico e essencialmente no plano operacional.

Entre as motivações, contam-se a exigência de maior qualidade a mais baixo preço, a diversidade de produtos - várias opções geralmente definidas pelos clientes, num mercado altamente concorrencial e globalizado -, a densidade de componentes por produto (recorrendo-se frequentemente à miniaturização) e o facto de o ciclo de vida dos produtos ser muito curto.

Isto requere sistemas produtivos altamente flexíveis, caracterizados por produções em pequena/média escala (o já referido "small/medium batch manufacturing") orientadas para as exigências dos clientes (o também referido "job shop manufacturing").

Nestes sistemas, os robôs desempenham um papel fundamental dado que são sistemas programáveis, possuindo ambientes de programação relativamente poderosos.

É possível definir posições, trajectórias e outras acções que podem ser repetidas continuamente com elevada precisão e repetibilidade. Aliás, essa é a essência dos robôs actuais, isto é, são estruturas com um controlo preciso de movimento e algumas capacidades de programação, que permitem definir esses movimentos e repeti-los.

Estes dispositivos possuem ainda capacidades de "input" e "output" (I/O) e de comunicações, o que permite coordenar acções com outros equipamentos e serem integrados com os sistemas informáticos e de gestão existentes na instalação produtiva.

No que respeita a custos, os robôs são equipamentos relativamente caros. No entanto, a maior parte do esforço económico vai para os restantes equipamentos de uma célula e que proporcionam o ambiente para a operação do robô: autómatos, transportadores, sensores inteligentes, "software", etc.

Também a necessidade de pessoal técnico especializado gera custos elevados. Os robôs retiram determinadas tarefas aos humanos, dado que as executam com maior eficiência; mas, por outro lado, exigem engenheiros especializados para o projecto e o desenvolvimento de novas células, e de operários capazes de programar, utilizar e manter os sistemas.

Outro factor de custos é o aumento de complexidade: a robotização e, de uma forma geral, toda a automatização faz crescer a complexidade dos sistemas. O grau de complexidade aumenta ainda se incluirmos as tarefas de programação e sequencialização de tarefas dentro da célula, tendo em vista determinado tipo de produção.

As "motivações/vantagens", apesar de alguma sofisticação, precisam ainda de ser reforçadas, nomeadamente ao nível técnico, criando máquinas mais inteligentes, mais leves - e com elementos flexíveis -, e mais fáceis de programar, por exemplo, usando um ambiente gráfico integrado e "standard", que permita projectar, simular e programar células robotizadas - existindo já produtos comerciais que tentam concretizar essa ideia com maior ou menor sucesso. Os "custos" são ainda altos, nomeadamente devido à falta de pessoal técnico especializado nas empresas.

Sucessos recentes, como o Asimo, da Honda, e outros introduziram alguma excitação ou sedução, porque finalmente se torna evidente que é possível ter um C3PO dentro de alguns anos. E se o caminho percorrido desde as máquinas gregas foi fantástico, pois o que se aproxima de forma vertiginosa será uma autentica revolução, até na forma como vivemos .

* professor e investigador do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra

norberto@robotics.dem.uc.pt