CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO À ROBÓTICA.

Décadas atrás, os robôs faziam parte apenas da ficção científica, fruto da imaginação do homem. No início dos anos 60, os primeiros robôs começaram a ser usadas com o objetivo de substituir o homem em tarefas que ele não podia realizar por envolverem condições desagradáveis, tipicamente contendo altos níveis de:

· calor; · ruído; · gases tóxicos (ambientes poluídos); · esforço físico extremo; · trabalhos monótonos, repetitivos e "chatos".

Existem 2 tendências, nas últimas décadas, que garantem a evolução dos robôs:

1. o constante aumento dos níveis salariais dos empregados (visão global); 2. o extraordinário avanço tecnológico no ramo de

computadores, eletrônica, controle e mecânica fina, que induz à redução dos preços do robô e uma significativa melhoria em seu desempenho.

Há muitos anos, foi concebida a idéia de que sistemas mecânicos poderiam ser controlados por operações numérico-aritméticas. As máquinas-ferramentas CNC (Controle Numérico Computadorizado) são máquinas operadas, e suas velocidades são controladas por computadores conectados aos motores das máquinas.

CAPÍTULO 2

O QUE É UM ROBÔ?

Neste capítulo vamos estudar algumas definições e conceitos envolvidos com a operação de robôs. Os pontos abordados neste capítulo são: o braço mecânico, seus tipos de automação, uma classificação de robôs, as limitações de custo e implicações sociais.

O BRAÇO MECÂNICO. O braço mecânico é um manipulador projetado para realizar diferentes tarefas e ser capaz de repeti-las. Para realizar determinadas tarefas, o robô move partes, objetos, ferramentas, e dispositivos especiais segundo movimentos e pontos pré-programados. Um robô consiste de um braço mecânico motorizado e um cérebro na forma de um computador que controla seus movimentos. O computador guarda em sua memória um programa que detalha o curso que o braço seguirá. Quando o programa está rodando, o computador envia sinais ativando motores que movem o braço e a carga no final dele, que é mantida sob controle pelo atuador ("end effector").

Dois aspectos importantes do funcionamento de um braço mecânico correspondem ao sensoriamento do ambiente e como se realiza a programação do mesmo.

SENSORIAMENTO

Para realizar certas tarefas os robôs precisam de habilidades sensoriais similares às do homem. Os modelos avançados de robôs estão equipados com sensores mas sua capacidade ainda é limitada, assim como sua capacidade de movimentação, já que os robôs ficam fixos em um local, ou tem um espaço restrito para se mover.

PROGRAMAÇÃO.

O computador que controla o robô deve possuir as seguintes características:

· memória para guardar os programas; · conexões para os controladores dos motores; · conexões para entrada e saída de dados e para

ativar os programas operacionais; · unidade de comunicação controlada por um

humano.

TIPOS DE AUTOMAÇÃO. Automação pesada: máquinas que são projetadas para executar uma função específica. Nestes sistemas, qualquer mudança na operação padrão demanda uma mudança no hardware da máquina e em sua configuração. Geralmente utilizados para um produto particular e de difícil adaptação a outro produto. Automação flexível:máquinas de fácil programação onde pode ser mudada fácil e rapidamente uma configuração de manufatura para outra.

CLASSIFICAÇÃO DE ROBÔS. 1ª Geração - são incapazes de obter qualquer informação sobre o meio. Podem realizar apenas movimentos pré-programados e as informação que eles retornam sobre o ambiente de operação é mínima.

2ª Geração - possui todas as características da 1ª Geração, acrescentando uma detalhada comunicação com seu ambiente. Esta comunicação é atingida através de sistemas de sensoriamento e identificação. Necessita de computadores mais velozes, com maior memória, e também um grande avanço na capacidade de sensoriamento.

LIMITAÇÕES DE CUSTO. O maior fator que impede a adoção em massa de robôs nas indústrias é seu alto custo. O tempo que leva para se recuperar o investimento em um robô depende dos custos de compra, instalação e manutenção. Este tempo não é fixo, depende da fábrica onde o robô será instalado e de sua aplicação. Deve-se considerar as seguintes condições:

· número de empregados substituídos pelo robô; · número de turnos por dia; · produtividade comparada a seu custo; · custo de projeto e manutenção; · custo dos equipamentos periféricos.

O preço de um robô é determinado por:

· tamanho; · sofisticação ou grau de complexidade; · exatidão; · confiabilidade.

IMPLICAÇÕES SOCIAIS. Nos últimos tempos, através da automação, observou-se o decréscimo do nível de emprego nas atividades industriais. A curto prazo, a automação levanta problemas como o desemprego, necessária reconversão e treinamento pessoal, conseqüências da redução de horas de trabalho, questões de aumento de salários em atividades de maior produtividade.

Alguns aspectos do confronto operacional de homens e robôs são:

HOMEM X ROBÔS

O robô tem claramente algumas vantagens sobre os humanos:

1. não se cansa; 2. não necessita de salário; 3. pode manter uma qualidade uniforme na produção; 4. não necessita de condições ambientais

especiais, tais como ar condicionado, luz e silêncio.

Em compensação, o robô tem: aprendizado, memória e movimentos limitados se comparado a um homem.

CAPÍTULO 3

O BRAÇO MECÂNICO

INTRODUÇÃO. Neste capítulo estudaremos o braço mecânico do robô, seus tipos de juntas e graus de liberdade, seus tipos de articulações, sua área de trabalho (work envelope), e suas formas de acionamento.

O braço do robô executa movimentos no espaço, transferindo objetos e ferramentas de um ponto para outro, instruído pelo controlador e informado sobre o ambiente por sensores. Na extremidade do braço existe um atuador usado pelo robô na execução de suas tarefas. Todo braço de robô é composto de uma série de vínculos e juntas, onde a junta conecta dois vínculos permitindo o movimento relativo entre eles, como mostrado na figura 1. Todo robô possui uma base fixa e o primeiro vínculo está preso a esta base. A mobilidade dos robôs depende do número de vínculos e articulações que o mesmo possui.

FIGURA 1 - Junta e vínculos em um braço de robô

TIPOS DE JUNTAS. Os braços de robôs podem ser formados por três tipos de juntas:

· juntas deslizantes; · juntas de rotação; · juntas de bola e encaixe.

A maioria dos braços dos robôs são formadas pelas juntas deslizantes e de revolução, embora alguns incluam o de bola e encaixe. A seguir será descrito cada um destes tipos de juntas.

Juntas Deslizantes.

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

FIGURA 2 - Junta deslizanteJuntas de Rotação.

Esta conexão permite movimentos de rotação entre dois vínculos. Os dois vínculos são unidos por uma dobradiça comum, com uma parte podendo se mover num movimento cadenciado em relação à outra parte, como mostrado na figura 3. As juntas de rotação são utilizadas em muitas ferramentas e dispositivos, tal como tesouras, limpadores de pára-brisa e quebra-nozes.

FIGURA 3 - Junta de rotação

Juntas de Bola e Encaixe.

Esta conexão se comporta como uma combinação de três juntas de rotação, permitindo movimentos de rotação em torno dos três eixos, como mostrado na figura 4.

FIGURA 4 - Junta de bola e encaixe

Estas juntas são usadas em um pequeno número de robôs, devido à dificuldade de ativação. De qualquer maneira, para se ter a performance de uma junta bola e encaixe, muitos robôs incluem três juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentação se cruzam em um ponto, como na figura 5.

FIGURA 5 - Três juntas rotacionais substituindo a junta de bola e encaixe

GRAUS DE LIBERDADE. O número de articulações em um braço do robô é também referenciada como grau de liberdade. Quando o movimento relativo ocorre em um único eixo, a articulação têm um grau de liberdade. Quando o movimento é por mais de um eixo, a articulação têm dois graus de liberdade. A maioria dos robôs têm entre 4 a 6 graus de liberdade. Já o homem, do ombro té o pulso, têm 7 graus de liberdade.

CLASSIFICAÇÃO DOS ROBÔS PELO TIPO DE ARTICULAÇÃO. É usual classificar os robôs de acordo com o tipo de junta, ou mais exatamente, pelas 3 juntas mais próximas da base do robô. Esta divisão em classes fornece informações sobre características dos robôs em várias categorias importantes:

1. Espaço de trabalho. 2. Grau de rigidez. 3. Extensão de controle sobre o curso do movimento. 4. Aplicações adequadas ou inadequadas para cada tipo de robô.

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

- Cartesiano. - Cilíndrico. - Esférico. - Articulação horizontal. - Articulação vertical.

O código usado para estas classificações consiste em três letras, referindo-se ao tipo de junta ( R = revolução, P = deslizante - do inglês prismatic ) na ordem em que ocorrem, começando de junta mais próxima à base.

Robôs Cartesianos.

O braço destes robôs têm três articulações deslizantes sendo codificado como PPP, como na figura 6.

FIGURA 6 - Robô Cartesiano

Os robôs cartesianos caracterizam pela pequena área de trabalho, mas com um elevado grau de rigidez mecânica e são capazes de grande exatidão na localização do atuador. Seu controle é simples devido ao movimento linear dos vínculos e devido ao momento de inércia da carga ser fixo por toda a área de atuação.

Robôs Cilíndricos.

Os braços destes robôs consistem de uma junta de revolução e duas juntas deslizantes, sendo codificada como RPP, como segue na figura 7.

FIGURA 7 - Robô Cilíndrico

A área de trabalho destes robôs são maiores que os robôs cartesianos, mas a rigidez mecânica é ligeiramente inferior. O controle é um pouco mais complicado que o modelo cartesiano, devido a vários momentos de inércia para diferentes pontos na área de trabalho e pela rotação da junta da base. Robôs Esféricos. Estes robôs possui duas juntas de revolução e uma deslizante, sendo codificado como RRP, como na figura 8.

FIGURA 8 - Robô Esférico

Estes robôs tem uma área de trabalho maior que os modelos cilíndricos, mas perde na rigidez mecânica. Seu controle é ainda mais complicado devido os movimentos de rotação.

Robôs com Articulação Horizontal. Caracterizam-se por possuir duas juntas de revolução e uma deslizante, sendo codificados RRP, como na figura 9.

FIGURA 9 - Robô com Articulação Horizontal

A área de atuação deste tipo de robô é menor que no modelo esférico, sendo apropriados para operações de montagem, devido ao movimento linear vertical do terceiro eixo.

Robôs com Articulação Vertical.

Estes robôs caracterizam-se por possuir três juntas de revolução, sendo codificados por RRR, como na figura 10.

FIGURA 10 - Robô com Articulação Vertical

Sua área de atuação é maior que qualquer tipo de robô, tendo uma baixa rigidez mecânica. Seu controle é complicado e difícil, devido as três juntas de revolução e devido à variações no momento de carga e momento de inércia.

COMPARAÇÃO DA ÁREA DE TRABALHO DOS ROBÔS. Nesta seção será feita uma análise matemática elementar para o calculo da capacidade dos robôs. As comparações são ilustradas na figura 11 e o calculo da área de trabalho segue-se após a mesma.

Robôs Cartesianos - Alcançam qualquer ponto de um cubo de lado L.

V = L * L * L

Robôs Cilíndricos - alcançam qualquer ponto em um cilindro de altura L e raio 2L, exceto os pontos do cilindro interno de raio L e altura L.

V = 9,42 * L * L * L

Robôs Esféricos - alcançam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L, exceto a esfera interna de raio L.

V = 29,32 * L * L * L

Robôs de Articulação Horizontal - alcançam qualquer ponto de um cilindro de raio 2L e altura L.

V = 12,56 * L * L * L

Robôs de Articulação Vertical - Alcançam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L.

V = 33,51 * L * L * L

Dessa forma, os robôs possuem um progressivo aumento na sua área de atuação, indo do cartesiano até o de articulação vertical. Então, a razão entre a área relativa aos casos extremos é:

Vav/Vc = 33,51

Isto significa que a área de trabalho de um robô com articulação vertical com 2 vínculos de tamanho L é 33,51 vezes maior que a área de trabalho do robô cartesiano com 3 vínculos de tamanho L.

FIGURA 11 - Comparação da Área de Trabalho dos tipos de robôs

CONVENIÊNCIA PARA TAREFAS PARTICULARES.

A avaliação dos tipos de articulações e seu arranjo, permite ao projetista estimar a área de atuação do robô, rigidez mecânica e facilidade de controle do braço, possibilitando qual tarefa será mais apropriada para cada tipo de robô. O movimento das articulações capacitam o robô a mover seu atuador para qualquer ponto na sua área de atuação, mas não habilitando o controle da orientação do atuador no espaço; cuja importância não se restringe somente ao alcance da peça, mas também em conduzir o atuador a uma certa altitude em relação a peça. Essa tarefa pode ser realizada adicionando-se articulações para o pulso do braço, dando um maior grau de liberdade. A partir disso, o robô fica habilitado a realizar os seguintes movimentos:

· Pitch - movimento para cima e para baixo. · Roll - movimento de rotação no sentido horário e anti-horário. · Yaw - movimento para a esquerda e para a direita.

CONSTRUÇÃO DOS VÍNCULOS.

Um importante fator na construção dos vínculos é a carga que o mesmo suporta, o peso do próprio braço e o grau de rigidez do mesmo. Um braço pesado necessita de um motor maior, tornando o custo do robô mais elevado. Um braço de baixa rigidez reduz a precisão do robô devido às vibrações e resposta à tensão. Para aumentar a rigidez mecânica do braço sem aumentar seu peso, freqüentemente usa-se uma estrutura oca. A utilização deste tipo de estrutura tem uma melhor dureza quando comparada com uma construção maciça utilizando a mesma massa de material. Essa comparação é mostrada na figura 12.

FIGURA 12 - Estruturas para a construção de vínculos

DRIVER'S DE ACIONAMENTO DO BRAÇO DO ROBÔ. Existem vários tipos de Driver's que são classificados genericamente como:

· pela forma de movimento - Drivers de Rotação e de Deslizamento. · pela forma de acionamento - Drivers Elétrico, Hidráulico, Pneumático · pela forma de conexão - Drivers Direto e Indireto

Classificação pela forma movimento: Drivers de rotação e de deslizamento

Driver de rotação - consiste em um motor, que quando conectado à sua fonte de energia, o eixo do motor responde em um movimento de rotação.

Driver deslizante - consiste em um cilindro hidráulico ou pneumático. O movimento linear também pode ser produzido por um movimento rotativo usando correias ou hastes empurradas pelo motor, fazendo uma conversão de movimento rotativo em linear.

Classificação pela forma acionamento: Drivers elétrico, hidráulico e pneumático

Driver Elétrico

Este tipo de driver utiliza motores elétricos que podem ser: motor de corrente contínua, motor de passo e motor de corrente alternada. Muitos robôs novos tem drivers de motor corrente contínua devido ao alto grau de precisão e simplicidade de controle do motor elétrico. As vantagens do driver elétrico:

1. Eficiência calculada, controle preciso. 2. Envolve uma estrutura simples e fácil manutenção. 3. Não requer uma fonte de energia cara. 4. Custo relativamente pequeno.

As desvantagens:

1. Não pode manter um momento constante nas mudanças de velocidade de rotação.

2. Sujeitos a danos para cargas pesadas suficientes para parar o motor. 3. Baixa razão de potência de saída do motor e seu peso, necessitando um motor

grande no braço.

Driver hidráulico

Esta unidade é composta de: motor de movimento rotativo e cilindro para movimento deslizante. A unidade de acionamento hidráulico provoca movimento em pistões que comprimem o óleo, como mostra a figura 13.

FIGURA 13 - Unidade de acionamento hidráulico

O controle é feito através de válvulas que regulam a pressão do óleo nas duas partes do cilindro e que impulsionam o pistão. As vantagens do driver hidráulico:

1. Momento alto e constante sob uma grande faixa de variação de velocidade. 2. Precisão de operação (menor que o elétrico e maior que o pneumático). O óleo

não é compressível e não há variação de seu volume quando se varia a pressão. 3. Pode manter um alto momento para um longo período de tempo, quando parado.

As desvantagens são:

1. Requer uma fonte de energia cara. 2. Requer uma manutenção cara e intensa. 3. Requer válvulas de precisão caras. 4. Está sujeito a vazamento de óleo.

Driver pneumático

Esta unidade é similar à hidráulica e é composto de: motores pneumáticos de movimento rotativo e cilindros pneumáticos de movimento deslizante. Na figura 13 pode-se considerar a mesma para acionamento pneumático, utilizando ar ao invés de óleo. Possui um alto grau de precisão nas paradas. São utilizados em sistemas automáticos simples, mas pouco utilizado em robôs devido à alta compressibilidade, o que reduz a habilidade de realizar controle preciso. É muito utilizado em movimentos de agarramento, tanto para abrir como para fechar as garras. As vantagens do driver pneumático:

1. Podem operar em velocidades extremamente altas. 2. Custo relativamente pequeno. 3. Fácil manutenção. 4. Podem manter um momento constante em uma grande faixa de velocidade. 5. Pode manter alto o momento por longos períodos de tempo sem danos, quando

parado.

As desvantagens são:

1. Não possui alta precisão. 2. Esta sujeito a vibrações quando o motor ou cilindro pneumático é parado.

Resumindo, o driver elétrico é melhor em aplicações envolvendo:

· 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 trabalha melhor em situações envolvendo:

· Transferência de cargas pesadas ( de 2.000 pounds ou mais); · De média para alta precisão na localização e velocidade;

O driver pneumático é preferível em aplicações envolvendo:

· Baixa precisão; · Necessidade de baixo custo; · Altas velocidades; · Transferências de pequenas e médias cargas.

Classificação pela forma de conexão: Drivers Direto e Indireto.

No caso do driver direto, o motor é montado diretamente na junta que ele irá mover. Se o motor é montado longe da junta, próximo da base, o driver é indireto; neste caso há elementos de transmissão como correntes, correias, diferenciais e engrenagens. As vantagens do driver indireto sobre o direto:

1. Redução do peso do braço mecânico; 2. Permite mudanças na velocidade de rotação das juntas.

As desvantagens do driver indireto sobre o direto:

1. Falta de precisão da operação da junta devido a liberdade mecânica dos pontos de conexão entre os dispositivos de transferência;

2. Perdas consideráveis de potência.

CAPÍTULO 4

O CONTROLADOR DO ROBÔ.

INTRODUÇÃO

O Controlador é a parte do robô que opera o braço mecânico e mantém contato com seu ambiente. O dispositivo em si é composto por hardware e software, combinados para possibilitar ao robô executar suas tarefas.

Neste capítulo vamos estudar: os níveis de controle do robô, a classificação temporal da programação do controlador e tipos de software para o controlador.

NÍVEIS DE CONTROLE DO ROBÔ.

O controle do robô pode ser dividido em três níveis que constituem a hierarquia de controle.

Os níveis são:

· Controle do acionador : ou controle de cada eixo do robô separadamente. Nível mais baixo.

· Controle da trajetória : ou controle do braço do robô com coordenação entre os eixos para percorrer a trajetória especificada. Nível intermediário.

· Controle de coordenação com o ambiente : é o controle do braço em coordenação com o ambiente. Nível mais alto.

Fig 1 - Relação entre os vários níveis de controle na realização de uma tarefa.

CONTROLE DO ACIONADOR Acionadores: unidades que provocam o movimento dos eixos do robô. Cada eixo de movimento inclui, pelo menos, uma articulação, um vínculo e um acionador. Em alguns robôs, os eixos incluem dispositivos de transferência de movimento assim como unidades para identificar a posição relativa dos vínculos. Um eixo que contém tais unidades possui controle de malha fechada.

Os sinais de controle provém de um computador (quando se fala em computador, deve-se ter em mente que pode ser também um micro-controlador, ou um microprocessador) é digital, então deve passar por um conversor digital/analógico (uma vez que os Acionadores de robô geralmente trabalham com sinais analógicos).

Mas isso ainda não é suficiente, pois a potência necessária para operar a unidade acionadores é relativamente alta, então usa-se um amplificador.

FIG. 2 - Sequência de acionamento de um motor elétrico com controle de malha fechada

Para se entender o conceito de malha fechada é necessário recordar o de realimentação. Realimentação consiste em se tomar uma medida do estado atual do dispositivo a ser controlado e comparar essa medida com um valor pré-definido. Essa comparação vai resultar em um erro. O controlador vai tomar as providências necessária para que esse erro seja reduzido a zero. Um diagrama em blocos desse tipo de controle é mostrado na figura 3.

FIG. 3 - Seqüência de acionamento de um motor elétrico.

Em um controle de malha fechada, não se pode medir nem corrigir eventuais erros, então não se tem certeza se o objetivo foi atingido.

Controle em malha fechada é utilizado em praticamente todos os robôs industriais existentes.

Em um controle de malha fechada de um braço de robô, as unidades que informam sobre a posição atual dos vínculos é o encoder. Há um encoder presente em cada eixo a

ser controlado. Existe um grande número de encoders, mas o mais comum é o encoder rotacional ótico, que é 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 é conectado à articulação do robô. Isso faz com que o detector receba pulsos de luz e transforme em pulsos elétricos. O número de pulsos gerados é proporcional à extensão de movimento e/ou ao ângulo de rotação do eixo do robô. A velocidade dos vários eixos do robô também deve ser conhecida, para se prevenir flutuações no movimento do robô. Um componente utilizado para medir a velocidade é o tacômetro.

CONTROLE DE TRAJETÓRIA Cada tarefa executada por um robô pode ser considerada como uma série de operações, através das quais o atuador é movido pelo braço do robô entre dados pontos e operado como programado nesses pontos.

O controle de trajetória pode ser dividido em dois métodos: controle ponto-a-ponto e controle contínuo.

Antes de descrever cada método, devemos definir alguns termos:

· Ponto: localização no espaço em direção ou através do qual o atuador é movido por uma operação do braço do robô.

· Passo: uma parte do programa operacional do robô. A cada passo, o robô executa uma atividade.

· Série: uma coleção de passos que combinados formam o programa operacional do robô.

CONTROLE DE TRAJETÓRIA PONTO-A-PONTO Neste tipo de controle, primeiramente definimos uma coleção de pontos para o robô. Então construímos a série e guardamos na memória do controlador. Quando rodamos a série, o braço do robô vai se mover pelos vários pontos, de acordo com a ordem dos passos na série. Em cada passo o robô sabe para onde ir, mas não conhece a trajetória que traçará para chegar a um certo ponto.

Robôs com controle ponto-a-ponto são geralmente usados em séries onde o atuador não precisa realizar alguma função no decorrer do movimento. Uma aplicação típica é solda em ponto. A maioria dos robôs do mundo opera em controle ponto-a-ponto.

CONTROLE DE TRAJETÓRIA CONTÍNUA Esse método é mais complexo e caro do que o ponto-a-ponto, pois o braço deve se mover por uma trajetória exatamente definida.

Os movimentos dos acionadores são coordenados pelo controlador do braço a cada instante, de tal forma que a trajetória irá se assemelhar o máximo possível com a programada.

A trajetória do robô pode ser definida por dois métodos, como veremos:

· Método A: Nesta técnica, o braço do robô é movido manualmente pela trajetória desejada, enquanto o controlador grava em sua memória as posições das articulações a cada instante, através das informações fornecidas pelos encoders. Quando a série é rodada mais tarde, o controlador comanda os acionadores de acordo com a informação em sua memória. O braço então repete a trajetória precisamente.

Método B: Nesta técnica, a trajetória é definida por um determinado trajeto de movimento, tal como uma linha reta ou um arco passando por dados pontos. O controlador calcula e coordena o movimento a cada instante. O computador controlador deve ser mais rápido e ter mais memória do que o computador de um controle ponto-a-ponto. Robôs com controle de trajetória contínua são usados em séries onde o atuador deve realizar algum trabalho enquanto o braço se move. Uma aplicação típica é pintura com spray.

CONTROLE DE COORDENAÇÃO COM O AMBIENTE O movimento de um braço de robô é baseado em movimento coordenado de todos seus acionadores. As condições em que esses acionadores trabalham são diferentes. Diferem na carga, no momento de inércia e na velocidade, por exemplo. Portanto, essas condições variáveis podem exigir um diferente planejamento de controle para cada malha de controle.

· Em robôs modernos, cada malha de controle do acionador é controlada por um microcomputador. Se quisermos que o atuador se mova até determinado ponto, podemos ditar as coordenadas daquele ponto para o computador controlador que irá coordenar o movimentos das várias articulações. O operador não precisa se preocupar com o controle de cada eixo separadamente nem coordenar o movimento dos vários eixos, isso é função do computador controlador.

CLASSIFICAÇÃO TEMPORAL DE PROGRAMAÇÃO

Uma das principais diferenças entre controladores relaciona-se com o momento em que a trajetória de movimento é calculada, e com a habilidade de realizar mudanças na trajetória enquanto o braço está em movimento. Existem dois tipos de controle: programação off-line e programação e controle em tempo real.

PROGRAMAÇÃO OFF-LINE Neste modo, o controlador do robô guarda a trajetória de movimento em sua memória como uma série de pontos e os correspondentes movimentos das várias articulações. Enquanto o programa está sendo executado, o controlador não realiza cálculos de trajetória. Ao invés disso, o controlador simplesmente lê os comandos de movimento da memória que já foram previamente processados. Portanto, neste método não podem ser usadas séries em que ocorrem mudanças durante a execução do programa, tais como as que envolvem o uso de sensores. Programação off-line não necessita de computadores rápidos e complexos, por isso é menos dispendiosa do que controle em tempo real.

PROGRAMAÇÃO E CONTROLE EM TEMPO REAL Nesta modo, o controlador recebe instruções gerais sobre a trajetória de movimento. Enquanto o braço está se movendo, o controlador deve calcular a extensão do movimento das vária articulações a fim de se mover pela trajetória desejada. As informações recebidas dos sensores sobre mudanças no ambiente do robô enquanto o braço se move são processadas pelo controlador em tempo real.

Controle em tempo real é preferível a programação off-line, por ser mais flexível na sua habilidade de mudar o curso de ação enquanto uma tarefa está sendo executada. Esta flexibilidade exige um controlador mais complexo, incluindo um computador rápido o suficiente para processar a informação sem diminuir a velocidade de operação do robô.

TIPOS DE SOFTWARE PARA O CONTROLADOR

Como já foi dito, o controlador do robô é composto de hardware e software. Este software pode ser dividido basicamente em dois componentes: software de usuário e software de controlador.

SOFTWARE DE USUÁRIO É escrito pelo operador do robô para cada série executada pelo robô. Consiste numa coleção de pontos ao longo da trajetória e das operações executadas nesses pontos pelo atuador. São escritos em linguagens de alto nível.

Escrever um programa de usuário é tarefa simples, qualquer um pode fazê-lo com algum treino.

SOFTWARE DE CONTROLADOR É o software do robô que é escrito pelo fabricante. É o responsável pelo processamento dos comandos do programa do usuário e pela sua conversão em comandos para o robô.

O grau de sofisticação do robô é fortemente determinado pelo software do controlador. Esse software em robôs avançados é complexo. Inclui centenas de cálculos que devem ser realizados rapidamente enquanto o robô está em movimento. Se torna mais complexo a medida que os graus de liberdade aumentam.

CAPÍTULO 5

MÉTODOS PARA ENSINAR O ROBÔ.

INTRODUÇÃO. Para realizar uma tarefa o robô e o ser humano devem passar por um processo de aprendizagem, sendo que o homem pode receber definições genéricas; enquanto que para o robô é necessário subdividir a tarefa em partes simples de movimento. Para realizar as tarefas, homens e robôs utilizam-se de sensores que enviam dados ao ponto central de controle (cérebro para o homem e controlador para o robô), o qual toma decisões enviando comandos de movimentação às partes que o realizam. O processo de realização de uma tarefa para o homem é composto de instruções simples e genéricas, pois o homem é capaz de tomar decisões próprias durante a realização do processo e recorrer a sua memória acumulativa de experiências já ocorridas. Para o robô é necessário que as instruções sejam bem detalhadas, pois o mesmo não é capaz de tomar decisões próprias (exceto quando o programação trata disto, como em programação para inteligência artificial) o que acarretaria numa programação muito complexa. Fazer um robô movimentar uma peça de um local para outro, requer algumas pequenas rotinas como pegar a peça, levantá la, mover até a outra posição, descê-la e soltá-la. Além disso é necessário informá-lo da velocidade em que estes passos de procedimento devem ocorrer. Isto faz com que procedimentos mais complexos tenham dezenas e até centenas de pequenos movimentos, o que requer um tempo muito grande de programação do processo para treinar o robô.

Neste capítulo vamos estudar diferentes formas de treinar o robô a realizar suas tarefas. Vamos ver os métodos para treinar o robô a realizar suas tarefas e realizar uma comparação entre os métodos para treinar o robô. O capítulo se encerra com uma conclusão a respeito destes métodos.

MÉTODOS PARA TREINAR O ROBÔ Existem vários métodos para treinar o robô e, a cada dia, pesquisadores e fabricantes estão desenvolvendo novos métodos com a finalidade de tornar o robô mais flexível a aprendizagem de novas tarefas, simplificando o processo de treinamento. Os atuais métodos para treinar o robô podem ser divididos em dois grupos: métodos de ensino e métodos de programação.

Nos métodos de ensino há um movimento físico do braço do robô numa série de pontos de uma a outra posição. Dentro dos métodos de ensino pode-se ter variações como o método de ensino por meio de chaves (teach in), ensino manual (teach-through), e ensino por sensores.

Nos métodos de programação determina-se uma série de pontos que o braço deverá percorrer, sem que o mesmo se mova fisicamente durante a programação. Nestes métodos de programação, caso em que não se utiliza o acionamento de sensores físicos ou atuadores, pode-se trabalhar com: definições de coordenadas, deslocamento do

sistema de coordenadas, uso de sensores de visão e apontadores e modelagem de mundo (world modeling).

MÉTODOS DE ENSINO

Nos métodos de ensino há um movimento físico do braço do robô numa série de pontos de uma a outra posição. Dentro dos métodos de ensino pode-se ter variações como o método de ensino por meio de chaves (teach in), ensino manual (teach-through), e ensino por sensores.

ENSINO POR MEIO DE CHAVES - TEACH-IN Este é um dos métodos mais comuns, pois o método consiste de um ser humano fazendo com que o robô mova-se através do acionamento de botões ou chaves localizados num controle remoto (teach pendant) ou caixa de controle (teach box) em uma certa ordem; a fim de que o atuador seja movido ao ponto desejado. Ao atingir o ponto desejado é gravado esta posição através de um botão chamado de tecla de registro. Esta posição gravada nada mais é que a posição das articulações (ângulos de rotação, trecho de extensão de juntas de deslocamento) e o estado do atuador (garra aberta ou fechada). O processo de marcar a posição é realizado ao longo da trajetória, em diferentes pontos. Para isto o operador utiliza-se de um pequeno e leve controle remoto conectado ao controlador do robô por um cabo, geralmente, proporcionando ao operador uma visão total do desempenho e área de atuação do robô. Neste processo o operador passa a operar como um sensor de controle do robô e cuja responsabilidade de garantir a perfeita realização da tarefa; necessitando que o mesmo seja altamente treinado e especializado para realizar a operação.

A tarefa realizar-se-á quando o controlador chama os pontos da memória e envia os comandos as juntas e atuador; assim como foi gravado durante o aprendizado. Existe uma grande variedade de controles remotos, sendo que cada robô possui um adaptado às necessidades para seu uso. Pode-se encontrar controles remoto desde os mais simples, onde as teclas controlam diretamente o motor, até aqueles mais sofisticados, onde as teclas programam o controlador de forma que mova o robô em linha reta ou vários sistemas de coordenadas. Na figura 1 pode-se notar dois tipos de controles remotos, tipos padrão nos controles.

Fig. 1 - Tipos padrão de controle remoto

Uma desvantagem apresentada na utilização de controle é que o operador precisa desviar atenção dos movimentos do robô a fim de localizar e acionar a tecla adequada, para tanto elimina-se este problema com a utilização de um joystick parecido com os utilizados por pilotos de avião ou de vídeo game padrão atari. As teclas de movimento são montadas no joystick de tal forma que se possa acionar uma ou mais teclas, promovendo a movimentação em várias direções sem que seja necessário que o operador se distraia. Na figura 2 pode-se ver um joystick que controla um robô em apenas duas direções, sendo que joysticks mais sofisticados podem controlar, juntamente, vários outros movimentos.

Fig. 2 - Representação de um joystick para controle do robô

Um outro método envolve um robô adicional, chamado de mestre, caracterizado por ser uma máquina leve e não incluir motores ou dispositivos de transferência de movimento. Seus vínculos são iguais em comprimento ao robô escravo e o robô mestre possui encoders em suas articulações; ambos são controlados por um computador comum. O processo de ensino torna-se mais fácil, uma vez que o operador move o robô mestre sem dificuldades pela trajetória. Como a estrutura geométrica dos robôs mestre e escravo são idênticas, a trajetória realizada pelo robô mestre será feita pelo escravo. Este método é usado quando não é exigido um alto grau de precisão e quando é difícil dividir a tarefa em uma série de pontos individuais para criar o movimento ponto-a-ponto. A figura 3 mostra um exemplo de robô mestre-escravo sendo ensinado para realizar a tarefa de pintura automobilística com spray.

Fig. 3 - Representação de conjunto Robôs Mestre-Escravo

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

ENSINO MANUAL (TEACH-THROUGH) DIRETO. Neste método, o robô é movido manualmente ao longo da trajetória desejada, e o controlador grava a posição das juntas por amostras (sampling) ou toma a leitura em um intervalo de tempo fixo; sendo que seus motores devem estar inoperantes. Este método tem duas limitações:

· O operador tem de vencer o peso do robô e o atrito nas juntas e engrenagens, tornando inaplicável para robôs de grande e médio porte; onde é requerida precisão.

· O controlador necessita de uma memória muito grande para armazenar a informação amostrada a uma taxa de 10 vezes por segundo, comprometendo a precisão do processo. Para amenizar o problema de peso do robô pode-se utilizar uma unidade de balanço, a qual suporta o peso estático do braço.

ENSINO MANUAL (TEACH-THROUGH) USANDO UM SENSOR DE FORÇA. Este método é semelhante ao anterior, porém utiliza o auxílio de um sensor de força ligado ao atuador. Quando o operador move o braço (robô) é exercida uma força no atuador, o sensor converte a força em sinais elétricos, que ativam os motores do robô na

direção fixada. A vantagem deste método sobre o anterior é que o operador não necessita de um grande esforço para mover o robô, podendo obter um alto grau de precisão; entretanto ainda é restrito a modelos experimentais.

ENSINO POR MEIO DE SENSORES. Neste método os sensores auxiliam o operador no direcionamento do robô ao longo da trajetória através de transmissão de informações ao controlador. Com isso torna-se mais caro que os outros métodos uma vez que utiliza equipamentos mais sofisticados. Contudo os sensores são utilizados somente durante o processo de aprendizagem, uma vez que na execução da tarefa não serão afetados pela interferência do robô. Com a utilização dos sensores há uma diminuição do tempo e da força necessária para ensinar o robô a realizar as tarefas.

MÉTODOS DE PROGRAMAÇÃO.

Consiste no movimento do robô através da trajetória fixada para o controlador sem mover o atuador, não necessitando para tanto o movimento ponto a ponto. Os métodos de programação podem ser divididos em quatro grupos, como:

· Definição de coordenadas pelo computador; · Deslocamento do sistema de coordenadas; · Uso de sensores de visão e apontadores; · Modelagem de mundo.

DEFINIÇÃO DE COORDENADAS PELO COMPUTADOR.

O controlador pode receber informações sobre uma série de pontos que o atuador passará e que é armazenado na memória, sem que o atuador mova-se; determinando a trajetória desejada durante o processo de aprendizagem. Este método é usado na maioria dos robôs e provê a base da programação OFF-LINE. Por exemplo, uma tarefa pode ser definida como uma série de números, como 2,3, 4 e 5, 6, 7, e ao executar a tarefa o robô move o atuador para 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 movimento especificado pelas

CAPÍTULO 6

ATUADORES

INTRODUÇÃO O atuador (end effector) é todo um sistema montado na extremidade do vínculo mais distante da base do robô, cuja tarefa é agarrar objetos, ferramentas e\ou transferí-las de um lugar para outro. São exemplos de atuadores a pistola de solda, garras e pulverizadores de tintas. A operação do atuador é o objetivo final na operação de um robô, assim todos os demais sistemas (unidades drives, controles, etc.) são projetados para habilitar sua operação.

O atuador é de extrema importância na execução de uma tarefa, portanto é necessário que o mesmo seje adequadamente projetado e adaptado as condições do seu meio e área de trabalho. Existem dois tipos de atuadores: Garras e Ferramentas.

Neste capítulo vamos apenas estudar as garras, sendo que os diferentes tipos de ferramentas vão ser vistos mais à frente, no capítulo de aplicações, já que as ferramentas são específicas para cada tipo de aplicação.

ATUADORES TIPO GARRA A garra é comparável a mão humana. No entanto, ela não é capaz de simular seus movimentos, resultando na limitação dos movimentos a uma faixa de operações. A grande demanda tem levado ao desenvolvimento de garras que podem manusear objetos de diferentes tamanhos, formas e materiais. Estas garras são divididas em vários tipos de classe:

· Garra de dois dedos; · Garra de três dedos; · Garra para objetos cilíndricos; · Garra para objetos frágeis; · Garra articulada; · Garra a vácuo e eletromagnética, · Adaptador automático de garras.

Garra de dois dedos:

É o tipo mais comum e com grande variedade. São diferenciados um do outro pelo tamanho e/ou movimento dos dedos, como o movimento paralelo mostrado na figura 1 ou o movimento de rotação mostrado na figura 2. A principal desvantagem desta garra é a limitação da abertura dos seus dedos, restringindo, assim a sua operação em objetos cujo tamanho não exceda esta abertura máxima.

Fig. 1 - Garra de movimento paralelo

fig. 2 - Garra com movimento de rotação

Garra de três dedos:

São similares aos de dois dedos, porém permitem uma segurar objetos de forma circular, triangular e irregular com maior firmeza. Os dedos são articulados e formado por diversos vínculos, como mostra a figura 3, abaixo.

fig. 3 - Garra de três dedos

Garra para objetos cilíndricos:

Consiste de dois dedos com vários semicírculos chanfrados (ver figura 4), que permitem a garra segurar objetos cilíndricos de vários diâmetros diferentes. As principais desvantagens são:

· O seu peso que deve ser sustentado pelo robô durante a operação; · A limitação de movimentos causada pelo comprimento da garra.

fig. 4 - Garra para objetos cilíndricos

Garra para objetos frágeis:

São garras próprias para exercer um certo grau de força durante a operação de segurar algum corpo, sem causar algum tipo de dano ao mesmo. Ele é formado por dois dedos flexíveis, que se curvam para dentro, de forma a agarrar um objeto frágil; seu controle é feito por um compressor de ar. Veja a figura 5.

fig. 5 - Garra para objetos frágeis

Garra articulada:

São projetados para agarrar objetos de diferentes tamanhos e formas. Os vínculos são movimentados por pares de cabos, onde um cabo flexiona a articulação e o outro a estende. Sua destreza em segurar objetos de formas irregulares e tamanhos diferentes se deve ao grande número de vínculo, conforme mostra a figura 6, abaixo.

fig. 6 - Garra articulada

Garras a vácuo e eletromagnéticas:

Garras a vácuo são projetados para prender uma superfície lisa durante a ação do vácuo. Estas garras possuem ventosas de sucção conectadas a bomba de ar comprimido, que predem superfícies como chapas metálicas e caixas de papelão. Para reduzir o risco de mal funcionamento devido a perda de vácuo, é comum usar mais do que uma ventosa de sucção. A figura 7 ilustra este tipo de garra.

fig. 7 - Garras a vácuo

Garras eletromagnéticas são utilizados para segurar objetos que podem ser magnetizados (aço e níquel) através de um campo magnético. Estes objetos devem possuir um lugar específico na qual a garra passa atuar. Ambos os tipos de garras descritos acima são muito eficientes, uma vez que eles podem segurar objetos de vários tamanhos e não necessitam de grande precisão no posicionamento da garra.

Adaptador automático de garra:

Surgiu da necessidade de se ter uma garra capaz de segurar todos os tipos de objetos. Então foi criado uma unidade chamada de automatic gripper changer, que é um adaptador que permite que uma garra seja rapidamente ligada ou removida do braço do robô.

· Restrições: Os adaptadores devem ser ligados ao braço do robô de um mesmo modo e deve conectar de maneira idêntica suas unidades de drive, se elétrica, mecânica ou pneumática.

Desvantagens:

1. O peso adicional na extremidade do braço do robô; 2. Complicações tecnológicas são uma fonte potencial de mal

funcionamento; 3. Acréscimo no custo do robô; 4. Tempo gasto na troca das garras.

Diante destes fatos verifica-se que o desenvolvimento e produção de garras é um estágio importante no projeto de robôs para tarefas particulares. Normalmente, os fabricantes vendem robôs sem o atuador, as garras e as ferramentas são escolhidas e adaptadas pela equipe de engenharia que instala o robô no local de trabalho. Este é um estágio crítico da instalação, requerendo um alto nível de conhecimento e prática.

CAPÍTULO 7

Subsistemas em Ação - Executando uma tarefa

INTRODUÇÃO Neste capítulo descreveremos como as operações dos vários subsistemas que compõem um robô são integrados durante sua operação. Para ilustrar isto, especifica-se uma tarefa para o robô e acompanha-se a operação destes vários subsistemas durante a execução da tarefa. O trabalho se realiza em duas fases: aprendizado da tarefa e execução da série de comandos da tarefa.

APRENDIZADO DA TAREFA A tarefa em questão é a construção de uma torre com 3 blocos de diferentes tamanhos (figura 1). A posição dos blocos antes da montagem da torre é especificada, juntamente com a instrução de que a torre é para ser construída sobre o bloco 1 em sua posição atual.

Fig. 1 - Tarefa: construir uma torre com três blocos de tamanhos diferentes

Os comandos necessários para a colocação de um bloco sobre o outro são ilustrados pela figura 2.:

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

Fig. 2 - Colocação do bloco 2 sobre o bloco 1: posições asssumidas

Os pontos 2 e 5 são aqueles nos quais o robô efetua uma operação sobre o bloco, portanto, é muito importante que a garra esteja precisamente localizada nestes pontos em questão.

Os pontos 1, 3, 4 e 6 não exigem tal precisão, porque nenhuma operação é executada neles, deste modo a precisão da posição da garra nestes pontos não é importante. Eles estão incluídos na trajetória apenas para criar o movimento vertical requerido para abaixar e levantar a garra. Os movimentos verticais são importantes para evitar que a garra danifique os blocos durante o movimento. Estes pontos são chamados de "dummy points" ou "via points".

Colocando o Bloco 2 sobre o Bloco 1: ensina-se o robô a ir nos pontos mostrados na figura 2, pressionando chaves de um "manual teach pendant". Quando o robô alcança o ponto desejado, a chave de gravação é pressionada; o controlador então gravará em sua memória a posição de cada articulação (ângulo, alcance do vínculo) do braço do robô, assim como o estado da garra (aberto ou fechado). A velocidade é também definida para cada ponto. No fim do estágio de aprendizado, o controlador terá armazenado em sua memória 8 linhas de dados, uma para cada comando de movimentos. Ele memorizará a posição de cada articulação, o estado da garra e a velocidade. Na figura 2, o robô movimenta somente 3 juntas - base joint, shoulder joint e elbow joint. A série de comandos armazenados na memória do controlador provavelmente apresenta o aspecto representado pela tabela 1.

Tabela 1 - Valores das variáveis de robô para colocar o bloco 2 sobre o bloco 1

Comando Ângulo

Base joint

Ângulo

Shoulder joint

Ângulo

Elbow joint

Estado da

Garra Velocidade

1 10 70 110 0 15 2 10 60 95 0 5 3 10 60 95 1 4 10 70 110 1 5 5 0 40 150 1 15 6 0 35 145 1 5 7 0 35 145 0 8 0 40 150 0 5

Obs:

1. Os números acima servem somente para ilustração. 2. Estado da garra ( 0 = aberto e 1 = fechado). 3. A alta velocidade reduz a precisão da trajetória, portanto é usado somente entre

dois dummy points onde a precisão da trajetória não é relevante. E a baixa velocidade é usado para pontos próximos a um objeto ou quando efetuar um movimento de operação sobre um objeto.

Colocando Bloco 3 sobre Bloco 2: A trajetória necessária para colocar o bloco 3 sobre o bloco 2 será ensinado pela definição das coordenadas cartesianas dos pontos ao longo da trajetória para o controlador do braço do robô, como mostra a figura 3. A definição dos pontos será feita pela programação Off-Line, portanto, deve-se definir as coordenadas dos pontos ao longo da trajetória com grande precisão - particularmente o ponto no qual o robô agarra o bloco 3 e o ponto onde o bloco 3 é colocado sobre o bloco 2. A série de comandos armazenados na memória é semelhante ao apresentado na tabela 2.

Fig. 3 - Colocação do bloco 3 sobre o bloco 2: posições asssumidas

Tabela 2 - Valores das variáveis de robô para colocar o bloco 3 sobre o bloco 2

Comando X Y Z Estado da

Garra Velocidade

9 9 0 16 0 15 10 9 0 1 0 5 11 9 0 1 1 12 9 0 16 1 5 13 11 5 16 1 15 14 11 5 17 1 5 15 11 5 17 0 16 11 5 16 0 5

Este estágio completa o processo de aprendizado da tarefa. A série foi armazenada na memória do controlador, e será chamada sempre que se quiser executá-la.

EXECUÇÃO DA SÉRIE DE COMANDOS DA TAREFA

O passo seguinte ao processo de memorização da tarefa é o de execução da série de comando. O operador instrui o controlador a executar a série, pelo nome atribuído a ela. O controlador por sua vez recebendo esta instrução para executar a série, acessa sua memória para chamar a primeira linha do programa (que indica os ângulos das juntas (10, 70, 110), o estado da garra (0) e a velocidade (15). Antes de iniciar qualquer movimento, o controlador "lê" a posição das juntas do robô, através do encoder e calcula a diferença entre a posição ditada pelo comando 1 e a posição atual. Desta maneira o controlador move o braço para a posição indicada pelo comando 1. Sempre que o controlador reconhece que os valores desejados das juntas do robô não são iguais aos valores atuais, ele emite um comando de movimento, na forma digital. Este sinal digital é convertido para um sinal analógico equivalente por um conversor Digital/Analógico (D/A). O sinal analógico é amplificado por um amplificador de drive para ativar uma unidade de drive. As unidades de drives, por sua vez, movimenta as juntas diretamente ou por meio de engrenagens, eixos e correias (indirect drive). Os movimentos combinados das juntas criam o movimento do braço, para mover o atuador ("end effector") para o ponto desejado. Quando os comandos de 9 a 16 são executados (ver tabela 2), o controlador deve primeiro transformar as coordenadas cartesianas listadas em seu programa para a variável de junção apropriada. Após a tradução, seguem-se os mesmos passos descritos acima. A tradução da posição das coordenadas cartesianas para âng

CAPÍTULO 8

Aplicações de Robôs na Indústria.

Introdução. Como já tem sido mencionado nos capítulos anteriores, os robôs vem sendo aplicados na indústria em uma crescente variedade de funções, as quais se mostram perigosas, entediantes e fisicamente difíceis demais para serem realizadas por seres humanos. Neste capítulo, serão descritas as mais comuns aplicações industriais envolvendo robôs, onde, em cada exemplo, serão discutidos o processo onde o robô é integrado e a sua adaptação à tarefa a ser executada.

Os principais pontos aqui discutidos são: as principais categorias de robôs, os principais tipos de aplicações, características indispensáveis do robô, características auxiliares e estágios da seleção de robôs para aplicações industriais.

Principais Categorias. No quadro a seguor, pode-se observar as principais categorias de aplicação de robôs na industria, bem como as suas capacidades e principais benefícios gerados pelo seu uso, principalmente em células de trabalho ( ou de produção).

Em 1981 foram feitas estimativas, baseadas na situação das indústrias dos EUA na época, sobre a distribuição dos robôs dentro do conjunto de principais aplicações. O qudro a seguir ilustra essa pesquisa. Quadro 2: Uso de robôs nos EUA por aplicação

Fonte: Introduction to Robotics - Arthur J. Critchlow - pg. 29

Tipos de Aplicações. Descreve-se a seguir algumas das principais aplicações dos robôs na indústria: Carga e Descarga de prensa, Fundição em Molde, Carga e Descarga em Máquinas de Ferramenta, Solda a Ponto, Solda em Arco, Pintura a Spray, Montagem, Acabamento.

Carga e Descarga em Prensa

O processo de prensagem é uma operação usada para dar forma e remodelar peças. A peça de trabalho é posicionada em uma prensa, a qual exerce uma pressão externa sobre a mesma, ou mesmo remove porções dela a fim de obter dela uma nova forma. A transferência de pressão da prensa para a peça de trabalho é realizada por um molde especial chamado matriz, na qual a peça é colocada para assumir a sua forma. Normalmente, a peça passa por um número variado de operações de prensagem até receber sua forma final. A figura 1 mostra uma típica célula de trabalho para uma operação de prensagem, onde o robô pega a peça bruta do alimentador de peças e posiciona-a na prensa. Na figura 2 o robô transfere a peça da prensa para correias transportadoras ou pallets, onde as peças acabadas são armazenadas. A figura 3 mostra um esquema, visto de cima, de um sistema de prensa semelhante.

Os robôs utilizados nesse processo possuem movimentos simples e trajetória não muito importante, realizando funções do tipo "apanhar e colocar", sendo assim do tipo "primeira geração". No entanto, para diminuir o tempo gasto no processo e facilitar a tarefa realizada, usa-se um braço com duas garras, uma para fase de carregamento e outra para fase de descarga sobre correia transportadora ou pallets.

Fig.1: Robô pegando uma peça na prensa. Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 382

Fig.2: Robô colocando uma peça no pallet. Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 383

Fig. 3: Vista plana superior de um sistema de prensa. Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic;

pg115

Os benefícios da integração do robô ao processo de prensagem são:

1. redução de mão-de-obra; 2. aumento de produtividade; 3. significativa diminuição de acidentes; 4. melhoria nas condições de trabalho dos seres humanos, que passam a

supervisionar a produção das máquinas.

Há, no entanto, inúmeros problemas nessa integração do robô ao processo, basicamente em casos onde o sistema falha, como por exemplo quando a matéria-prima termina ou quando a peça fica presa na matriz e o robô não é capaz de extraí-la. Um meio utilizado para superar isso é o uso de sensores simples no braço do robô, os quais informarão ao controlador do robô a existência desses problemas, paralisando então o mesmo e alertando o sistema supervisor.

Fundição em Molde.

Esta operação é realizada pela injeção de uma matéria em sua temperatura de fusão dentro de um molde especial, ou matriz. Dentro da matriz, o material esfria e solidifica, tomando a forma do molde. A matriz então é aberta par se extrair a peça fundida já endurecida. A peça pode passar por uma prensa na sequência do processo para obter acabamento antes de ser armazenada em pallets. O Material do molde deve ter um ponto de fusão mais alto que o da matéria-prima, a qual geralmente é plástico, chumbo ou alumínio. Alguns processos de fundição incluem a inserção de porções de outros materiais à porção fundida com a finalidade de aumentar a capacidade mecânica do produto final.

Fig. 4: Célula de Produção de uma injetora / prensa. Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg118

A figura 4 mostra uma célula de trabalho de fundição, com um robô atendendo uma máquina de fundição e uma prensa. Para evitar um mau funcionamento, o controlador do robô é conectado à matriz da máquina de fundição e à prensa. Ele supervisiona a duração das várias operações, para manter o sincronismo dentro da célula.

Carga e descarga em Máquinas de Ferramenta.

Máquinas de Ferramenta são aquelas que realizam processos de usinagem de peças, como por exemplo torneamento, desbaste, moagem, etc. Antes da integração de robôs no processo, a introdução de dispositivos CNC (Comando Numérico por Computador) reduziu a necessidade de operadores hábeis em usinagem para a realização apenas das atividades de carga e descarga das máquinas. Durante muito tempo, o uso de robôs nessa atividade ficou reduzido por acreditar-se terem custos muito elevados. Com os dispositivos CNC passando a realizar atividades de ajuste de parâmetros das máquinas, de acordo com o processo envolvido, e troca de ferramentas das máquinas, o robô veio, após provar ter uma relação ótima custo-benefício, a ocupar a posição de carga e descarga das máquinas, deixando o ser humano com a função de supervisão e reparos em peças danificadas. Assim, o robô passou a ser integrado como parte de células de trabalho, servindo várias máquinas de ferramentas, pallets e outras unidades auxiliares de transporte. A figura 5 mostra uma célula de trabalho (ou de produção) com robô atuando sobre dois tornos e um moinho.

Fig. 5: Célula de Produção com robô atuando sobre MF's. Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic;

pg120

Para empregar-se robôs no processo de carga e descarga de algumas máquinas de ferramenta, todas as operações, do robô e das máquinas, devem ser precisamente temporizadas. Para isso, a estação de trabalho é projetada para permitir o posicionamento de todas as máquinas, alimentadores e pallets dentro da área de atuação (ou de trabalho) do robô, com um planejamento de todos os movimentos para se evitar colisões com equipamentos vizinhos. Os robôs móveis são capazes de alcançar e servir

um grande número de máquinas. Dessa maneira, para facilitar a operação, robôs são instalados em trilhos suspensos, ao longo dos quais eles se movem, de máquina para máquina. Um exemplo desse tipo de instalação é mostrado na figura 6.

Fig.6: Robô suspenso em trilhos atuando sobre MF's. Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg121

Solda a Ponto.

O processo de solda a ponto é difícil , monótono e requer um alto grau de precisão. Assim, os robôs se mostram ideais para serem integrados a esse tipo de processo, visto que seus movimentos são altamente precisos e capazes de alcançar posições difíceis, sem danificar as partes ou peças envolvidas. A flexibilidade das estações de trabalho com robôs, permitindo a armazenagem de diversos programas de solda para diferentes empregos de produção, vem a ser um importante ponto de motivação da integração de robôs no processo de solda a ponto. O processo de solda é baseado num fluxo de corrente alta entre dois eletrodos e através de dois pedaços de metal a serem unidos. Quando a corrente flui, um grande calor é gerado no ponto de contato. A pressão dos eletrodos é mantida por um curto tempo após a corrente cessar seu fluxo, a fim de manter as partes de metal juntas enquanto o ponto onde se realizou a solda resfria e se solidifica. Os eletrodos não sofrem fusão durante o fluxo de corrente devido a um fluido que flui através deles. A figura 7 mostra dois tipos de garras (pistolas) de solda e demonstra o processo de solda a ponto de duas partes metálicas.

Fig.7: Esquema de eletrodos para solda a ponto. Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg122

A figura 8 mostra uma aplicação de ponto de solda na indústria automotiva. Ela mostra um carro entrando no trilho de uma célula de trabalho composta por vários robôs, de ambos os lados da linha, com a função de realizar centenas de diferentes pontos de solda no corpo do carro, em minutos. Hoje em dia, a indústria automotiva utiliza mais robôs que qualquer outro tipo de indústria, desempenhando várias funções, como soldagem, pintura e operações na linha de montagem, possuindo cerca de 30% dos robôs em operação no mundo.

Os robôs que realizam solda a ponto executam movimentos complicados, tais como seguir contornos de peças e alcançar pontos inacessíveis sem danificar as peças que estão sendo soldadas. Desta forma, muitas aplicações de solda utilizam robôs com 6 GDL (graus de liberdade) - três para posicionamento e três para orientação ou postura em relação à peça. Embora os movimentos necessários aos robôs de solda a ponto sejam complicados, o único ponto que requer uma grande precisão é o ponto onde a solda ocorre de fato, sendo assim possível a utilização de controle ponto-a-ponto durante a trajetória do robô entre os pontos de solda. Para se evitar colisões entre o robô e as peças que estão sendo soldadas durante o movimento deste entre dois pontos de solda, o robô é instruído com um grande número de posições pelas quais ele deve passar no seu percurso até o próximo ponto de solda. O ensino de tarefas de solda a ponto é um processo complicado. O robô deve ser manualmente transportado através de cada um dos centenas de pontos de solda, devendo ser posicionado com uma precisão de +/- 1mm. Como, em solda a ponto, os eletrodos devem estar perpendiculares às peças, essa precisão se mostra ainda mais difícil de ser atingida.

Fig.8: Desenho de uma linha de produção automotiva realizando um conjunto de soldas a ponto.

Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 397

Numa linha de montagem automotiva, vários modelos diferentes são produzidos, cada qual com diferentes séries de pontos de solda, tornando o processo de ensino dos robôs envolvidos na realização dos pontos de solda dos carros muito longo e cansativo. Esse processo pode ser simplificado utilizando-se softwares capazes de alterar a orientação de uma pistola de solda sem alterar sua localização no espaço. Assim, permite que o atuador do robô, ou seja, a pistola de solda (mostrada na figura 9), seja trazido ao local desejado e então realizar a orientação desejada sem ter de corrigir as posições de suas juntas.

Fig.9: Pistola de solda a ponto da Milco Manufacturing Company. É acoplada ao braço do robô.

Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 399

As operações do processo de solda a ponto, integrando o robô, são:

· movimento rápido do braço do robô, com a pistola de solda fixa, para se aproximar do ponto a ser soldado;

· aproximação dos eletrodos da pistola de solda à ambos os lados da parte a ser soldada e posicionamento destes exatamente em frente ao ponto de solda;

· fixação dos eletrodos ao ponto a ser soldado; · envio de corrente elétrica através dos eletrodos e do material a ser soldado; · espera; · abertura dos eletrodos; · movimentação do braço do robô para se aproximar do novo ponto de solda.

As principais vantagens envolvidas no uso de robôs em pontos de solda são:

1. melhor qualidade da solda; 2. posicionamento preciso das soldas, assegurando resistência; 3. economia de mão-de-obra e tempo.

As principais desvantagens são as falhas que podem ocorrer no processo devido à deterioração física dos eletrodos e ao tedioso processo de ensino.

Solda em Arco.

A solda em arco é um processo usado para se unir duas partes de metal ao longo de uma área de contato contínua. Nele, as duas partes de metal são aquecidas ao longo da área de contato até o metal fundir-se; ao esfriar-se, o metal fundido se solidifica, unindo as duas partes.

Para criar uma corrente elétrica, dois eletrodos com diferentes potenciais, alimentados pelo equipamento de solda, são necessários. A pistola de solda em arco tem apenas um eletrodo, com o objeto a ser soldado servindo como segundo eletrodo. Esse tipo de pistola é também usada em alguns raros casos de solda a ponto. Os objetos de metal são aquecidos por uma corrente elétrica, que flui através dos eletrodos na pistola de solda e através de um vão de ar para o objeto sendo soldado. Quando se usa um robô para realizar uma solda em arco, a pistola de solda é fixada como atuador do mesmo e o eletrodo é alimentado através de um cabo condutor paralelo ao braço do robô. A pistola de solda também dispersa um gás especial para prevenir a área aquecida contra a oxidação, o que iria prejudicar a qualidade da solda. O processo de solda em arco necessita do uso de robôs de alta qualidade com softwares sofisticados, capazes de realizar as seguintes operações:

· rápido movimento para a área de contato a ser soldada; · transmissão de sinais para causar a dispersão do gás e aplicação de tensão ao

eletrodo; · movimento preciso ao longo do caminho de solda enquanto mantém um

constante vão de ar;

· preservar constante a orientação do eletrodo em relação à superfície a ser soldada;

· manter a pistola de solda se movendo a uma velocidade constante; · habilidade para realizar movimentos de "tecelagem", para se atingir uma boa

junção entre os dois corpos de metal e garantir a qualidade da solda.

Para se encontrar os requisitos acima, o processo desolda em arco necessita de robôs com as seguintes características:

1. cinco a seis graus de liberdade; 2. controle de trajetória contínua, para mover-se exatamente ao longo da trajetótia

de solda e regulagem de velocidade. 3. alta repetibilidade.

A figura 10 mostra um braço de robô realizando uma operação de solda em arco.

Fig.10: Robô da Aronson Machine Company (Modelo CMB2) realizando uma solda em arco.

Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 416

Os problemas resultantes da adaptação do robô à solda em arco incluem: - o uso do método "TEACH-IN" na solda em arco é um processo complicado, especialmente no caso de trajetórias curvas;

· o ensino de solda em arco por meio de métodos "TEACH- THROUGH" é de difícil realização para o indivíduo que move o braço manualmente ao longo da trajetória;

· quando os corpos são aquecidos, ocorrem distorções causando um ligeiro deslocamento da linha de união durante o processo de solda, o que pode ser significativo em soldas longas onde o calor não é dissipado rapidamente da área de solda.

O uso de um sensor para identificar a linha de união entre as partes pode solucionar esses problemas, eliminando o estágio de aprendizado. Assim, o sensor guia o braço do robô e seu atuador (a pistola de solda) ao longo da linha de união através da luz e do

calor gerados no processo. A figura 11 mostra uma estação de trabalho de solda em arco, mostrando componentes como "jigs" e "mesa giratória indexada", usados para dar precisão ao posicionamento das partes a serem soldadas.

Fig.11: Célula de Trabalho de Solda em Arco. Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg129

CAPÍTULO NOVE SENSORES

INTRODUÇÃO Escritores de ficção científica e futuristas descrevem os robôs como máquinas semelhantes à imagem do homem e que podem executar todas as suas tarefas. Neste capítulo, nós não discutiremos a questão de semelhança física com o corpo humano. Entretanto, se robôs jamais poderão substituir o homem, devemos levar em conta os possíveis avanços em duas áreas que podem ser comparadas às habilidades humanas:

· Desenvolvimento de inteligência artificial - isto é, aumentar a capacidade do robô compreender, entender e tomar decisões à partir das informações colhidas por sensores.

· Desenvolvimento de sensores - isto é, o aumento da habilidade do robô em obter informações sobre o ambiente em que se encontra, bem como de suas próprias características.

Neste capítulo vamos considerar alguns aspectos relacionados com Inteligência Artificial aplicada a robôs, discutir a questão de sensores humanos versus sensores artificiais e detalhar os principais tipos de sensores.

INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL A inteligência é a capacidade de entender, conhecer e aprender. Esta capacidade, no homem, tornou possível a construção e o controle do mundo, enquanto animais com menor inteligência continuam vivendo como há milhões de anos.

Robôs com flexibilidade limitada não tem inteligência, mas alguns robôs podem fazer escolhas à partir de dados colhidos de seu ambiente por sensores. Estes são chamados de inteligentes.

Através de sensores e de um processador integrado dentro do sistema do robô é feita a sua adaptação ao ambiente. Os sensores podem ser simples (chaves On/Off) ou complexos (identificação em três dimensões).

SENSORES HUMANOS X SENSORES ARTIFICIAIS Alguns sensores artificiais apresentam um paralelo com os sentidos humanos, particularmente, visão, tato e ouvido. Outros, significamente importantes, não apresentam nenhum paralelo:

* Sensor de luz infravermelha : identifica fontes de calor.

* Sensor de proximidade : detectam a aproximação de algo à área do sensor.

* Sensor acústico : determinam a localização e o movimento, como os morcegos e golfinhos.

Dos cinco sentidos humanos - visão, tato, ouvido, olfato e gosto - aqueles cujo paralelo artificial tem sido mais extensamente desenvolvidos são a visão e o tato. A visão do homem é o principal método de entrada de dados. A quantidade de informações coletadas é enorme. Muita pesquisa e desenvolvimento industrial tem sido gasto na tentativa de duplicar esta capacidade. Grandes esforços também tem sido investido no desenvolvimento de sensores de toque. Além disso, alguns avanços tem sido feitos na área dos sensores de escuta, como por exemplo a identificação de vozes.

Outras capacidades de sensoreamento presentes nos humanos não tem paralelo nos robôs como "sentir" aceleração, pressão, ângulo e velocidade angular, o que permite o homem ficar em pé e andar.

O sensor artificial comparado aos olhos humanos é a câmera. Assim como o olho, câmera inclui uma lente, um obturador, e um sistema de detecção capaz de transmitir dados sobre a quantidade de luz incidente.

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

Os sensores de escuta artificial são os microfones, que traduzem as vibrações criadas no ar pela fala, em sinais elétricos. Em todos esses casos o computador decodifica a informação fornecida pêlos sensores.

TIPOS DE SENSORES Os sensores atualmente podem ser classificados de acordo com os princípios físicos sobre os quais eles estão baseados (ótico, acústico, e assim por diante) ou de acordo com as quantidades medidas (distância, força, e assim por diante). Entretanto, eles são habitualmente divididos em dois tipos principais: sensores de contato e sensores sem contato.

As principais informações obtidas por sensores de contato são:

· Presença ou não de um objeto em um lugar; · Força de "agarre"; · Força de momento; · Pressão; · Escorregamento entre a garra e a peça; · Conjunto.

As principais informações obtidas por sensores sem contato são:

· Presença ou não de um objeto em um lugar; · Distâncias; · Movimentos; · Posição de objetos; · Orientação de objetos; · Conjunto.

Temos ainda dispositivos que identificam condições internas dos robôs, como corrente, posição dos links e velocidade dos links.

SENSORES DE CONTATO

Os sensores de contato são aqueles que requerem um contato físico com os objetos em seu ambiente, além de produzir um sinal de medida. Existem sensores de contato para vários níveis de sofisticação. Desde sensores simples como microchaves (que são usadas para identificar a presença ou ausência de um objeto) até sensores complexos como "pele" artificial contendo centenas de elementos sensitivos que transmitem informações sobre orientação, dimensão, pressão exercida, e assim por diante.

Os sensores de contato, por natureza, iniciam a alimentação de dados somente após o contato físico ter sido feito entre o robô e o seu ambiente. O contato deve ser feito de um modo controlado; o braço do robô deve ser movido para a zona de contato devagar e cuidadosamente para evitar a danificação do sensor.

A principal vantagem deste tipo de sensor é a precisão de suas medidas. Os sensores de contato podem ser divididos em duas categorias, de acordo com a sua posição em relação ao braço do robô :

· Sensores posicionados para os seus próprios pontos de contato. Eles permitem a medição da pressão, presença de um objeto, identificação de chapas, e assim por diante.

· Sensores posicionados para o pulso ou dedos do robô. Eles permitem a medição da direção de processos ocupando lugar para os pontos de contato.

Os sensores de contato podem ser classificados em: sensores de contato simples, superfícies sensoras de múltiplo contato, lâminas de contato, sensores de escorregamento, sensor de pelo e sensores de força e momento.

Sensores de contato simples: Os sensores de contato mais simples são aqueles que permitem a medição em um eixo e transmitem somente duas possíveis informações:

· O contato existe entre o sensor e o objeto; · O contato não existe.

O controlador do braço usa este dado para voltar para sub-rotina apropriada, ou procedimento de suporte. A figura 1 ilustra um sensor chave com duas posições instalado em uma garra. Este sensor diz ao controlador se a garra está, ou não, segurando um objeto. O controlador pode dizer, através dos dados, se a produção está ocorrendo normalmente ou se o robô está sendo alimentado por partes curtas. Neste caso, o controlador interrompe o trabalho e sinaliza um mal funcionamento.

Fig. 1: Sensor usado na identificação de presença ou não de objetos

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

Superfícies sensoras de múltiplo contato: Uma superfície sensora de múltiplo contato é uma combinação de um número de sensores de contato simples localizados em grandes concentrações sobre uma superfície simples. Cada um desses sensores envolvidos pode alimentar um sinal elétrico proporcional à quantidade de força exercida sobre ele. Quando um objeto é posicionado sobre uma superfície sensora de contato, todos os sensores em contato com a parte enviam sinais para um processador central, obtendo-se um desenho aproximado da parte. Este processo é mostrado na figura 2.

Fig. 2 : Superfície sensitiva

Os sinais recebidos da superfície são processados e transmitidos para o controlador do robô, que os usa para decidir onde mover o braço além de carregar a operação relativa.

Os sensores acoplados ao braço do robô, como mostrado na figura 3, podem fornecer poucas informações sobre a chapa das partes em contato com o sensor, mas as informações sobre o atuador é mais precisa.

CAPÍTULO 10

A ROBÓTICA NO FUTURO Introdução

A grande quantidade de recursos destinados ao desenvolvimento e pesquisa em robótica já começou a dar frutos, e certamente conduzirá a grandes acontecimentos no futuro. Várias ferramentas têm sido desenvolvidas, e fontes de energia tem sido exploradas, para substituir o homem e ajudá-lo em seu trabalho. Atualmente o homem ainda é uma parte importante do sistema por ser responsável pela tomada de decisão.

O principal objetivo da robótica é liberar o ser humano de tarefas difíceis e cansativas. Para atingir esta meta muita pesquisa deve ser realizada na área de Inteligência Artificial, para que o robô possa por si só tomar decisões e identificar os objetos ao seu redor.

A robótica surgiu como resultado de intensa pesquisa na área de computadores e está num estágio precoce de desenvolvimento, abrangendo as áreas de controle, computação e inteligência artificial. A próxima etapa depende do aparecimento de computadores que possam funcionar como cérebros. O cérebro do robô do futuro deverá ser um computador sofisticado, rápido, com grande espaço de memória e capacidade de analisar situações complicadas. É necessário também que seja pequeno e tenha baixo consumo de potência.

Neste capítulo abordamos alguns aspectos importantes do uso de robôs no futuro, tais como: a fábrica sem pessoas, os robôs pessoais e a comunicação homem-máquina.

Fábricas sem pessoas Nos dias de hoje, o principal objetivo das industrias é o desenvolvimento de plantas das linhas de produção que não requeiram a presença de pessoas. Toda a linha de produção seria controlada por computadores que estariam conectados às máquinas, robôs e sensores.

O computador central executá-lo planejamento de processos, fazendo a identificação e correção de falhas. Uma ordem de produção vinda do departamento de vendas ou diretamente dos clientes poderá ser iniciada imediatamente, de modo que as interferências humanas serão mínimas. Esta fábrica será capaz de trabalhar continuamente, dispensando iluminação, exceto na sala de controle central, onde algumas pessoas estarão gerenciando o funcionamento de toda fábrica.

Robôs Pessoais São máquinas automatizadas cuja operação não está no campo da indústria, mas em serviços domésticos ou em ambientes comerciais como: restaurantes, escritórios, lojas, etc.

Embora exista um mercado em potencial para robôs pessoais, não está se dedicando o esforço necessário nesta área devido a alguns fatores :

· este tipo de robô teria um alto custo devido a complexidade;

· desempenho restrito em relação aos robôs industriais; · o fator segurança é mais crítico devido a proximidade com pessoas; · o robô pessoal teria problemas de precisão devido a sua necessidade de

mobilidade. Só um robô inteligente capaz de sensoriar o meio poderia superar tais problemas.

Diversas fábricas estão projetando robôs para tarefas domésticas úteis, ou simplesmente como brinquedos. Entre eles está o Hero1 e o Androbot, que estão disponíveis no mercado há algum tempo, e podem ser os precursores de modelos mais sofisticados

O Hero1, fabricado pela Heatch Company, está disponível montado ou num kit. Foi projetado como um professor assistente e como entretenimento. Pode mover-se por uma sala através de comando computadorizado. Possui um braço articulado que pode pegar objetos pequenos, sensor ultrasônico, detetor de sons e sintetizador de voz . Mede aproximadamente 60 cm.

O Androbot foi projetado pela Nolan Bushell, uma das empresas da Atary Company. Chamado de "BOB" (Brain On Board), também possui controle computadorizado e sintetizador de voz. Possui três microprocessadores 8088 e é montado sobre rodas que permitem mobilidade. Mede 97 cm de altura e 60 cm de diâmetro.

As figuras 1 e 2 apresentam os robôs Hero e Androbot.

Figura 1 - Hero

Figura 2 - Androbot

Além dos robôs pessoais, existem pesquisas para desenvolvimento de robôs que atuem nas mais diversas áreas, como por exemplo: exploração submarina, combate a incêndios, mineração e também em sistemas de auto- reprodução, isto é, uma fábrica robotizada para construir outros robôs.

Comunicação homem-máquina Atualmente os robôs são programados para executar a mesma operação durante um longo período de tempo. Portanto, a programação via teclado é de acesso prático e satisfatória. No futuro, devido ao uso mais geral dos robôs e necessidade de maior flexibilidade, esta programação se tornará muito lenta e ineficiente.

O método que substituirá o teclado será a comunicação pela voz. Muitos esforços tem sido investidos no avanço da área de reconhecimento de linguagem e análise da informação transmitida pela voz.

Na área de biomedicina tem-se desenvolvido próteses para substituição de membros humanos, que, embora não é considerado parte da robótica, futuramente poderão ser aproveitados para se construir um robô humanóide.

Conclusão O desenvolvimento de robôs modernos prevê uma revolução na vida das pessoas, assim como a Revolução Industrial. As máquinas serão responsáveis por trabalhos e serviços em diversas áreas, permitindo ao homem dedicar-se a pesquisa científica, hobbies e lazer.

PARTE II - O Robô Didático

CAPÍTULO 2-1 - ROBÔ DIDÁTICO

Introdução. Os robôs didáticos têm sido muito utilizados na orientação de estudantes e operários responsáveis pela operação e manutenção de robôs, devido a robótica se apresentar como um dos campos de maior avanço tecnológico da atualidade.

O que é um robô didático?

Embora eles possuam algumas das principais características dos robôs industriais, são mais baratos, menores e com baixo nível de desempenho. Similares aos industriais, os robôs didáticos são compostos por:

- Braço mecânico: Estrutura metálica de vínculos, junções e atuador com garra. - Sistema de acionamento: Pode ser pneumático, hidráulico ou elétrico (motor DC). - Realimentação: Conjunto de sensores que fornece ao sistema supervisório as informações sobre o estado de vínculos em movimento. - Computador: Responsável pelo controle eletrônico do robô. - Fonte de energia: Providencia energia para o controlador e potência para todos componentes.

O quadro a seguir apresenta alguns aspectos comparativos entre o robô didático e o industrial:

. Robô Industrial Robô Didático

Carga útil 10 a 1000 kg alguns Kg

Precisão 10-2 mm 10-1 mm

Funcionamento meses ininterruptos menor tempo

Área de trabalho vários metros dezenas de cm

Software muitos poucos

Uma das grandes vantagens dos robôs didáticos é a possibilidade de desmontar para reconhecer peças internas.

No estudo do SCORBOT-ER III veremos os seguintes tópicos: - Estrutura do braço mecânico e suas características (transmissão, relação de transmissão); - Tipos de controle de curso; - Descrição do controlador e princípios de operação; - Encoder ótico como unidade de (entradas e saídas); - Posição de repouso ou posição inicial; - Descrição do sistema operacional realimentação; - A relação do robô com seu ambiente armazenado no computador; - Comunicação entres computadores para realizar comunicação entre o computador do

SCORBOT-ER III e o "host"; - Preparação do robô didático para operação; - Linguagens de alto nível e programação off-line; - Propostas de desenvolvimento de software; - Dados técnicos do robô.

CAPÍTULO 2-2

SEGURANÇA COM O ROBÔ DIDÁTICO

Introdução.

A presença de robôs no ambiente industrial pode provocar riscos a segurança dos operários não familiarizados, pois eles são mais rápidos que outras máquinas.

A segurança humana em ambientes de robôs industriais Colisões com robôs em movimento ou suas ferramentas podem causar ferimentos graves ao ser humano, devendo ser adotadas precauções tais como:

· Não ultrapassar o isolamento ao redor de um robô em movimento; · Prestar atenção na sinalização local; · Não colocar as mãos na parte interna da garra do robô; · Tomar cuidado ao tocar o controlador do robô e seu sistema de energia.

Os isolamento de robôs de pessoas não autorizadas é conveniente, e normalmente utilizam-se mecanismos que interrompem o funcionamento do robô instantâneamente caso a área de segurança seja invadida. Segurança de um robô industrial

Os robôs e outras máquinas comuns ao seu ambiente de trabalho são equipamentos de alto custo, de tal forma que seus operadores devem ser pessoas familiarizadas com sua operação.

Segurança em ambientes de robôs didáticos

Os robôs didáticos são menores e mais lentos que os industriais, tendo uma imagem inofensiva ao ponto de que seus usuários sejam descuidados. Para evitar que ocorra acidentes no aprendizado deve-se tomar algumas precauções:

· Não se aproximar demais do robô em movimento; · Não colocar as mãos no mecanismo interno; · Não abrir a tampa do controlador sem autorização; · Certificar-se que o cabo de alimentação está desconectado antes de abrir o

controlador ou trocar fusíveis; · Certificar-se que a chave de alimentação está desligada antes de conectar

entradas e saídas.

Segurança do robô didático

Devido ao fato dos robôs didáticos serem mais sensíveis que os industriais deve-se tomar alguns cuidados para aumentar sua vida útil:

· Prender o robô a uma base com no mínimo 3 parafusos

· Certificar-se que o robô tem espaço suficiente para movimentar-se; · Não mover o robô a força; · Não colocar cargas superiores a 1Kg no braço do robô; · Certificar-se que os objetos pesados não correm risco de deslizar das garras; · Não apertar bruscamente os objetos na garra; · Não conectar qualquer tensão aos conectores de entrada do robô; · Não conectar tensões maiores que 12V aos conectores de saídas, ou fazer

conexões que resultem em corrente maior que 10A.

CAPÍTULO 2-3 - COMPONENTES DO

ROBÔ DIDÁTICO SCORBOT - ER III

Introdução O robô didático, como mostra a figura 1, é composto por duas sessões principais:

* Sistema do braço mecânico: Está ligado a base do robô e tem uma garra para manipular objetos. Existem seis motores DC instalados no braço operando em loop fechado através de um codificador montado em cada motor.

* Controlador: Unidade responsável pela operação do braço mecânico. É composto por um microprocessador que supervisiona a operação do robô, memória e componentes lógicos. O controlador recebe comandos de um computador externo e os traduz em instruções de operação para o braço mecânico.

O controlador também possui fontes de alimentação que fornece energia para ele mesmo e para os motores do braço do robô.

O SCORBOT-ER III deve ser conectado a um computador externo com os softwares de operação e programação do robô instalados.

É utilizado a interface serial RS-232C para conectar o controlador ao computador.

Fig. 1 - O robô didático Scorbot ERIII

O BRAÇO MECÂNICO Classificação da estrutura mecânica

O braço mecânico do SCORBOT-ER III é composto por vínculos e junções articuladas verticalmente com cinco graus de liberdades e uma garra.

A figura 2 ilustra o braço mecânico do robô, listando suas junções e comparando o mesmo a um braço humano. A tabela 1 relaciona o nome de cada junta, seu tipo de movimento e o motor responsável pelo movimento.

Fig. 2 - Esquema do braço mecânico

TABELA 1 - Relacionamento entre junta e seu movimento

Motores do Robô

Todas as junções do robô são movidas pelos motores DC. A direção do movimento do robô é determinado pela polaridade da tensão de operação.

Cada motor tem um controlador de malha fechada que verifica a extensão e direção do movimento dos mesmos.

É utilizado um codificador ótico em forma de disco em cada motor do braço do robô para o controle de malha fechada. A figura 3 mostra o motor e o codificador instalados no braço do robô.

Fig. 3 - Motor e codificador

O codificador consiste de uma fonte de luz (LED), detetores de luz (fototransistor) e um disco de metal com ranhuras que gira com o motor.

O codificador fornece ao controlador informações sobre o movimento do robô. Essas informações são conferidas para verificar se os movimentos estão sendo corretamente realizados, o que seria impossível caso o sistema do robô não tivesse os codificadores.

Sistema de Drive

O sistema de drive do SCORBOT-ER III é do tipo indireto sendo realizado por meio de engrenagens e correias rodando do motor para a junção.

Os sistemas de drive utilizam duas definições importantes:

- Taxa de transmissão: Valor que permite o cálculo das velocidades relativas dos eixos de movimento.

- Resolução: Valor que indica a capacidade do sistema com relação a precisão do movimento.

Transmissão indireta em um grau

A figura 4 mostra a transmissão usada para movimentar a base do robô.

Fig. 4 - Tipo de transmissão usado no robô

A engrenagem menor com raio Ra está instalada diretamente no eixo de saída do motor. A engrenagem maior com raio Rb está fixada a junção de base do robô. O movimento do robô causa a seguinte cadeia de movimentos:

motor - engrenagem a - engrenagem b - base do robô

Notar que as engrenagens giram em sentidos opostos.

CÁLCULO DA TAXA DE TRANSMISSÃO A taxa de transmissão do robô pode ser calculada por:

Tab = Rb / Ra : 1

onde:

Tab = taxa de transmissão da engrenagem a para a b.

Ra = Raio da engrenagem conectada ao eixo de saída do motor.

Rb = Raio da engrenagem conectada a base do robô.

Para cada volta da engrenagem a, a engrenagem b irá girar Ra/Rb.

A taxa de transmissão também pode ser calculada por:

Tab = na/nb

onde:

na = número de dentes da engrenagem ligada ao eixo do motor.

nb = número de dentes da engrenagem ligada a base do robô.

CÁLCULO DA TAXA DE TRANSMISSÃO EM RPM

A taxa de transmissão também determina a taxa relativa de rotação das engrenagens envolvidas.

No exemplo a engrenagem a irá rodar (nb/na) vezes mais rápido que a b.

Wb/Wa = 1/Tab = na/nb

onde:

Wa = Rotações por minutos da engrenagem ligada a base do robô.

Wb = Rotações por minutos da engrenagem ligada ao eixo do motor.

CÁLCULO DA TAXA DE RESOLUÇÃO

A resolução define o menor passo possível para girar as engrenagens, motores ou junções. É definida em graus para resolução angular e unidades de comprimento para resolução linear.

Quanto menor o passo, maior a resolução e maior a exatidão do movimento.

A resolução pode ser calculada por:

resolução da engrenagem = a = Sb = 1_ = na

resolução da engrenagem b Sa Tab nb

Transmissão Indireta a Dois Graus Na figura 4, foi mostrado uma transmissão a um grau (uma engrenagem move a outra). A figura 5 mostra uma transmissão com o acréscimo de mais um grau.

Fig. 5 - Transmissão com dois graus

O número de dentes de cada uma das quatro engrenagens é mostrada a seguir:

Engrenagem a b c d

Número de dentes na nb nc nd

CÁLCULO DA TAXA DE TRANSMISSÃO

A taxa de transmissão da figura 5 é o produto das taxas das transmissões formadas por cada grau do drive:

Tad = Tab x Tcd

onde:

Txy = taxa de transmissão entre engrenagem x e a engrenagem y

Txy = ny / nx

Se mais graus de transmissão forem acrescentados, a taxa de transmissão Tad deve ser multiplicada pela taxa de cada grau acrescido.

CÁLCULO DA TAXA DE RPM

A razão entre a taxa de revolução da engrenagem d e a engrenagem a, como mostrada na figura 5, é a seguinte:

onde:

Wn = taxa de revolução da engrenagem n

Txy = taxa de transmissão da engrenagem x para a engrenagem y

CONCLUSÃO A inclusão de um grau adicional de transmissão, cuja taxa de transmissão seja maior que 1, reduz a taxa de revolução do último grau de transmissão.

Na inclusão de um segundo grau de drive, aumenta a taxa de transmissão e, deste modo, aumenta-se a resolução do sistema, ou seja, o robô torna-se mais preciso, uma vez que é possível realizar movimentos mais curtos.

Transmissões do SCORBOT-ER III A transmissão de cada eixo de movimento do SCORBOR-ER III começa dentro da carcaça do motor. Dentro desta carcaça há uma engrenagem que é constituída de engrenagens acopladas umas às outras. A estrutura básica de um motor do SCORBOT-ER III é mostrado na figura 6.

Fig. 6 - Estrutura de um motor do robô didático

Existem três tipos de motores neste robô, com montagens de engrenagens diferentes. As taxas de transmissão destes motores estão listados abaixo (Tm é a taxa de transmissão entre o eixo do motor e o eixo de saída):

Motores da base, ombro e cotovelo: Tm 1,2,3 = 127,7:1

Motores do pulso, pitch (arremesso) e roll (giro): Tm 4,5 = 65,5:1

Motor da garra: Tm 8 = 19,5:1

Em outras palavras, uma taxa de transmissão de 127,7:1, por exemplo, significa que a cada 127,7 revoluções do motor, o eixo de saída dará apenas 1 volta.

CÁLCULO DA TAXA DE REVOLUÇÃO DO EIXO DE SAÍDA DO MOTOR DO PULSO E SUA RESOLUÇÃO

Dada a taxa de revolução do eixo do motor: Wm = 2412 rpm, temos que a taxa de revolução do eixo de saída é de:

Dado que a resolução do eixo do motor (o cálculo da resolução será explicado no capítulo 5), Sm, é de 60º, temos que a resolução do eixo de saída é de:

CÁLCULO DA TAXA DE REVOLUÇÃO DA BASE, OMBRO E COTOVELO DO EIXO DO MOTOR E SUAS RESOLUÇÕES

Tmol 1,2,3 = 127,7:1

Wm = 2412 rpm

Sm = 60º

Com base nestes valores é possível identificar a taxa de transmissão de cada junta do robô.

TRANSMISSÃO DA JUNTA DA BASE

A transmissão da junta da base do robô é idêntica à apresentada na figura 4. A engrenagem a está diretamente acoplada ao eixo de saída; a engrenagem b está acoplada ao corpo do robô.

TRANSMISSÃO DA JUNTA DO OMBRO

A transmissão da junta do ombro do SCORBOT-ER III é similar à de sua base. A diferença é que a transmissão no ombro é dupla, ou seja, o ombro é movido simultaneamente de ambos os lados do braço mecânico, o que aumenta a sua mobilidade, bem como sua habilidade em suportar cargas.

A engrenagem a está ligada ao eixo de saída e a engrenagem b está ligada ao ombro, fazendo com que este se mova.

TRANSMISSÃO DA JUNTA DO COTOVELO

Esta transmissão é mostrada na figura 7. Como na transmissão do ombro, o cotovelo também usa uma transmissão dupla. O cotovelo é movido simultaneamente de ambos os lados do braço mecânico, ou seja, contém dois sistemas de tração, do tipo ilustrado na figura 7.

Fig. 7 - Transmissão da junta do cotovelo

A combinação de duas transmissões duplas (ombro e cotovelo) previne contra torções do braço, além de aumentar a estabilidade do robô.

A engrenagem a, que está ligada ao eixo de saída do motor, movimenta a engrenagem b. A engrenagem c, que está ligada nesta engrenagem, movimenta a engrenagem d através de uma correia.

TRANSMISSÃO DA JUNTA DO PULSO

O SCORBOT-ER III tem a junta do pulso com dois graus de liberdade, permitindo dois tipos de movimento: subir/descer de pulso (pitch) e movimento de rotação do pulso (roll).

A estrutura é diferente das anteriores e é mostrada na figura 8.

Fig. 8 - Transmissão da junta do pulso

A junta do pulso tem três partes separadas, constituindo uma montagem conhecida como diferencial. As partes 1 e 2 são tracionadas pelos motores 4 e 5, respectivamente. O movimento da parte 3 depende do movimento relativo de 1 e 2, sendo que a garra é fixada a esta parte. Desse modo:

* Quando as partes 1 e 2 movem-se na mesma direção, a parte 3 sobe ou desce (pitch).

* Quando as partes 1 e 2 movem-se em direções opostas, a parte 3 sofre rotação (roll).

Cada engrenagem tem 32 dentes.

Em ambos movimentos de pulso, a extensão de movimento dos motores 4 e 5 é idêntica (podendo somente diferir na direção).

As transmissões dos motores 4 e 5 para a junta do pulso são idênticas, conforme transmissão ilustrada na figura 9.

Fig. 9 - Transmissão dos motores 4 e 5

A execução da transmissão para o motor 4 (ou motor 5), para a articulação do pulso diferencial, é a seguinte:

A engrenagem a é presa ao eixo de saída do motor e traciona a engrenagem b via correia 1 e assim sucessivamente até a engrenagem f que gira a engrenagem diferencial.

TAXA DE TRANSMISSÃO E RESOLUÇÃO DE CADA JUNTA DO ROBÔ

Base Ombro Cotovelo Pulso

na (dentes) 24 18 18 12

nb (dentes) 120 72 72 24

nc (dentes) - - 17 24

nd (dentes) - - 17 24

ne (dentes) - - - 24

nf (dentes) - - - 24

Wa (rpm) 18,88 18,88 18,88 36,85

Sa (graus) 0,47 0,47 0,47 0,916

Característica de

Transmissão

um

grau

um

grau

dois

graus

dois

graus

Tabela 2 - Transmissão das juntas

TRANSMISSÃO DA GARRA

O motor da garra do SCORBOT-ER III está acoplado à junta do pulso. Sua revolução gira um parafuso fazendo com que a garra abra ou feche. Este tipo de transmissão é chamada de transmissão guiada por parafuso (transmissão lead screw) e é ilustrada na figura 10.

Fig. 10 - Transmissão da garra

Neste tipo de transmissão um dado importante é o passo do parafuso. No sistema milimétrico, ele é definido como o número de milímetros entre duas linhas adjacentes do parafuso.

O passo do parafuso é equivalente ao movimento linear do parafuso. Como a garra encontra-se acoplada a este parafuso, logo, têm-se o movimento da garra (em milímetros). Um aumento no valor do passo do parafuso, aumenta a velocidade com a qual a garra abrirá ou fechará. A resolução dos dedos da garra, entretanto, decresce proporcionalmente.

CÁLCULO DA VELOCIDADE DE ABERTURA (FECHAMENTO) DOS DEDOS DA GARRA E DA SUA RESOLUÇÃO

A velocidade de abertura (fechamento) e a resolução derivam dos dados do motor da garra, das dimensões da garra e do parafuso guia. A força de aperto dos dedos é também afetada pelo passo do parafuso.

CÁLCULO DA VELOCIDADE DE ABERTURA (FECHAMENTO)

O cálculo é dado por:

D = P x N = P x W x t/60 t = 60 x D/(P x W)

V = L/t

Onde:

W = velocidade de revolução do parafuso [rpm]

N = número de revoluções do parafuso (totalmente fechado até totalmente aberto)

D = comprimento do parafuso [mm]

P = passo do parafuso [mm]

t = tempo decorrido para o parafuso ir de totalmente fechado até totalmente aberto (negligenciado o tempo de aceleração do motor) [sec]

V = velocidade dos dedos da garra [mm/sec]

L = comprimento de abertura da garra [mm]

CÁLCULO DA RESOLUÇÃO

O cálculo é dado por:

S 8 = Sm /Tmo8 N1 = 360/So

Sg = L/(N1 x n)

Dados:

Sm = 60 graus Tm8 = 19.5:1

Onde:

Sm = resolução do motor [graus]

S8 = resolução da saída do motor [graus]

Tm8 = raio de transmissão interno do motor da garra

Sg = resolução dos dedos da garra [mm]

N1 = número de pulsos do encoder por revolução da saída do motor

As garras normalmente apresentam dois dedos em cujas pontas podem ser acoplados vários acessórios, como mostra a figura 11. Em operações normais, blocos de borracha são acoplados aos dedos da garra para criar fricção e melhorar o aperto.

Fig. 11 - Montagem da garra

O CONTROLADOR O termo "controlador" refere-se à unidade que opera e controla o braço mecânico. A figura 12 mostra o controlador do SCORBOT-ER III.

Fig. 12 - O controlador

As funções do controlador são as seguintes:

* Ativação dos motores do robô;

* Tratamento das informações recebidas dos encoders como parte do processo de realimentação;

* Identificação de sinais do ambiente, através da entrada de oito microchaves;

* Ativação de equipamentos externos, em completa sincronização com o robô, através de oito saídas;

* Identificação dos sinais recebidos do braço do robô, além de estabelecer um ponto de referência permanente, através de oito microchaves instaladas no braço do robô.

Painel Frontal do Controlador

A figura 13 ilustra o painel frontal do controlador, incluindo o seguinte:

Fig. 13 - Painel frontal do controlador

* Chave POWER ON/OFF. Alimentação 110V/220V.

* Chave MOTORES ON/OFF. Alimentação DC dos motores do robô.

* Botão LAMP TEST. Quando pressionado, todas as luzes do painel frontal indicam e checam se o funcionamento está correto.

* Botão RESET. Quando pressionado, para o funcionamento do controlador e reseta as informações armazenadas na memória.

* CONECTORES DE ENTRADA. A faixa de conectores inclui 16 parafusos tipo conector para oito entradas existentes. Cada par de conectores forma uma entrada.

OBSERVAÇÃO: O operador deve tomar cuidado para não conectar qualquer tensão aos conectores de entrada.

* CONECTORES DE SAÍDA. Apresenta quatro faixas de conectores, cada qual incluindo três parafusos tipo conector, sendo:

N.C. (normally closed) = normalmente fechado

COM (common) = comum

N.O. (normally open) = normalmente aberto

OBSERVAÇÃO: O operador deve tomar cuidado para não conectar tensões maiores do que 12V, ou tensões que resultem uma corrente maior que 10A.

* CHAVES DE ENTRADA 1 E 2. Estas chaves são conectadas em paralelo às entradas 1 e 2 na faixa dos conectores de entrada.

* LED's DE ENTRADA (oito led's verdes). Quando acesos indicam um curto-circuito na entrada correspondente.

* LED'S DE SAÍDA (oito led's vermelhos). Quando acesos indicam um sinal na saída correspondente.

* CONECTORES DO MOTOR 6 E 7. Permitem a conexão de dois eixos adicionais de movimento. Podem ser conectados a um motor com encoder, para criar um controle de malha fechada adicional para os graus de movimento.

* Botão MOTOR TEST. Ativa uma rotina de auto diagnóstico.

Painel Traseiro do Controlador

A figura 14 mostra o painel traseiro do controlador, incluindo o seguinte:

Fig. 14 - Painel traseiro do controlador

* LINE. Conexão de tensão (110V ou 220V) para o controlador.

* FUSÍVEL 220V. Fusível de 1.5A (alimentação).

* FUSÍVEL -12V. Fusível de 4A para entrada de -12DC (motores do robô).

* FUSÍVEL +12V. Fusível de 4A para entrada de +12DC (motores do robô.

* FUSÍVEL LÓGICO +5V. Fusível de 1A para entrada de +5DC (circuitos do controlador, incluindo microprocessador e memória).

* CONECTOR DO ROBÔ. Conector tipo D50, com 50 pinos em três fileiras. Conecta o controlador aos motores e encoders do braço mecânico.

* CONECTOR RS232C (Inferior). Conector tipo D25, com 25 pinos em duas fileiras. Conecta o controlador ao computador host.

* CONECTOR RS232C (Superior). Conector tipo D25. Conecta o controlador ao controle remoto (teach pendant - dispositivo para operação manual do robô).

* LED'S Tx e Rx. Provê informações sobre a existência de dados na transmissão (Tx) e/ou recepção (Rx) respectivamente.

CAPÍTULO 2-5 - ENCODERS ÓTICOS

INTRODUÇÃO O encoder é um dispositivo que fornece ao controlador do robô informações sobre o status físico das várias juntas do robô (inclusive taxas de movimento). Em outras palavras, o encoder é uma unidade de realimentação (feedback unit), que informa sobre as posições atuais das juntas do robô, de forma que possam ser comparadas com posições desejadas e seus movimentos sejam planejados.

Esta unidade de realimentação possibilita o controle em malha fechada, em arranjo simples de componentes opto-eletrônicos, como na figura 1. Neste caso têm-se uma fonte de luz, um receptor e um disco perfurado, que irá modular a recepção da luz.

Fig. 1 - Encoder ótico simples

Este disco está preso a um eixo ou motor, de forma a criar um movimento rotacional, enquanto que a fonte de luz e o receptor estão fixos. A rotação do disco cria uma série de pulsos pela interrupção ou não da luz emitida ao detector. Estes pulsos de luz são transformados pelo detector em uma série de pulsos elétricos.

A frequência do pulso é diretamente proporcional ao número de rotações no intervalo de tempo, e ao número de furos ao longo do disco.

Os encoders são geralmente montados nas juntas do robô, ou nos eixos dos motores que atuam em cada uma das juntas. O encoder deve ser montado preferencialmente nas juntas, pois desta forma suas informações são diretamente coletadas, evitando possíveis incertezas de medição. Esta montagem requer um encoder de alta precisão e desta forma mais caro. A montagem do encoder na eixo do motor pode causar um grau de incerteza, exceto quando a taxa de transmissão é superior a 1.

A função do encoder é de fornecer informações em duas áreas:

Quantidade de movimento executado pelo motor (ou pela junta);

Direção do movimento (horário ou anti-horário).

Informações adicionais, tais como taxa de movimento, podem ser obtidas pelo cálculo da divisão da quantidade de movimento pelo intervalo de tempo decorrido para tal movimento.

Encoders óticos podem ser divididos em dois grupos:

· Encoders Incrementais; · Encoders Absolutos.

ENCODERS ÓTICOS INCREMENTAIS

Este tipo de encoder fornece informações sobre o movimento executado e a direção da rotação do motor (figura 2).

Fig. 2 - Encoder ótico incremental

Para determinar a quantidade de movimento realmente executada pelo motor, um disco com uma única fileira de furos é suficiente. Porem, para determinar a direção da rotação, precisa-se de duas fileiras de furos no disco (como visto na figura 2). Para demonstrar o método utilizado para determinar o sentido de rotação, considere os sinais recebidos de dois detectores de luz, em quatro passos:

PASSO DETECTOR EXTERNO

DETECTOR INTERNO

Passo 1 luz escuro

Passo 2 luz luz

Passo 3 escuro luz

Passo 4 escuro escuro

Os detectores de luz transformam os estados de luz e escuro em sinais elétricos digitais. Luz é transformado em 0 lógico e escuro em 1 lógico. Como resultado, quando o disco é movimentado no sentido anti-horário, o microprocessador recebe dos detectores uma

série de sinais elétricos, como indicado na tabela a seguir:

PASSO DETECTOR EXTERNO

DETECTOR INTERNO

Passo 1 0 1

Passo 2 1 1

Passo 3 1 0

Passo 4 0 0

Quando o movimento for no sentido horário, a série de sinais elétricos será como descrito na tabela a seguir:

PASSO DETECTOR EXTERNO

DETECTOR INTERNO

Passo 1 0 1

Passo 2 0 0

Passo 3 1 0

Passo 4 1 1

CÁLCULO DA RESOLUÇÃO DE UM MOTOR CONECTADO A UM ENCODER ÓTICO INCREMENTAL

Na figura 2 é possível observar que o disco possui dois anéis concêntricos de furos. Cada par de furos (anel interno e anel externo) compõe uma unidade de contagem. O disco mostrado na figura 2 possui 6 pares de furos e desta forma 6 unidades são contadas a cada rotação completa do disco.

Assim pode-se deduzir que a resolução (S) é: circunferência do disco (em graus)

S = num. de pares de furos no disco

Em termos matemáticos: 360

Sn = n, n é o número de pares de furos.

Portanto a resolução do encoder da figura 2 é: 360

S6 = 60

Os encoders óticos incrementais não fornecem informação sobre a localização absoluta do eixo de movimento no espaço. Mais precisamente, eles fornecem a quantidade de movimento executada pelo eixo, começando do momento em que o computador é ativado e o movimento começa. Se o sistema é desligado ou ocorre uma queda de energia, a informação da localização do eixo de movimento é perdida. Quando o

sistema for religado, a posição dos eixos de movimento devem ser re-fixadas. Somente após isto ser feito, o controlador poderá identificar a posição do robô novamente.

Apesar de fornecer informações incompletas, os encoders incrementais podem ser utilizados como dispositivos de realimentação para muitos sistemas industriais, através do uso de softwares especiais que analisam o número de pulsos enviados e calculam a posição relativa e a velocidade da junta em movimento.

ENCODERS ÓTICOS ABSOLUTOS

Os encoders óticos absolutos fornecem informações mais rigorosas que os encoders óticos incrementais. Possuem a capacidade de informar a posição física do robô assim que ele é ativado, sem a necessidade de fixação da posição inicial. Isto é possível porque o encoder transmite, para o controlador, um sinal diferente para cada posição da junta.

A figura 3 mostra um disco contendo 4 anéis de perfurações e está dividido em 16 seções da arcos iguais, contendo cada uma um arranjo diferente de furos. Desta forma, cada seção possui uma combinação diferente de furos, possibilitando uma combinação diferente de sinais recebidos pelos 4 receptores. Quando o sistema é ativado, o controlador identifica a combinação dos sinais recebidos pelos receptores e transforma na exata localização da junta do robô no espaço.

Fig. 3 - Encoder ótico absoluto

O número de anéis utilizados em um disco depende do grau de resolução de que se necessita. Quanto maior o número de anéis, maior será o número de combinações de sinais e maior será a resolução do dispositivo (figura 4).

Fig. 4 - Incremento da resolução do encoder

O cálculo da resolução (S) do encoder absoluto é dado por: circunferência do disco (em graus)

S = num. de segmentos no disco

Em termos matemáticos: 360

Sn = 2n, n é o número de anéis.

ENCODERS APLICADOS NO SCORBOT-ER III

Os encoders utilizados no SCORBOT-ER III são do tipo incremental, de construção simples e designados para dar demonstrações dos princípios de operação aos estudantes.

A estrutura de um encoder do SCORBOT-ER III é mostrada na figura 5.

Fig. 5 - Estrutura doencoder do robô didático

O disco do encoder está conectado ao eixo do motor e gira na mesma velocidade deste, entre duas coberturas de alumínio. Em uma delas estão montados dois LED's, que são as fontes de luz. Na outra cobertura estão dois fototransistores, que são os detectores de luz. Cada LED é montado diretamente oposto a um fototransistor, formando dois pares LED-fototransistor. Um deles está localizado próximo a borda do disco, e o outro próximo ao centro.

Quando o disco gira, uma linha de luz aparece e desaparece alternadamente entre cada LED e seu fototransistor, causando condução e corte, respectivamente, da corrente entre o coletor e o emissor do fototransistor. Assim, o sinal de tensão entre o emissor e o coletor do fototransistor fica como visto na figura 6, sendo os níveis baixo (0V) e alto (4V),correspondentes à existência ou não de luz emitida.

Fig. 6 - Esquema de sinais no emissor e coletor

Percebe-se também um deslocamento de tempo entre as ondas dos dois fototransistores (chamado de deslocamento de fase). Isto é causado pelo deslocamento físico entre as perfurações mais externas e mais internas do disco.

O sinal de tensão é transmitido para o microprocessador, que traduz a variação de tensão em uma medida da quantidade de movimento realmente executada pelo robô.

A direção do deslocamento entre as duas ondas fornece ao controlador o sentido de rotação do motor.

Como o disco encoder possui 6 pares de perfurações a cada volta do motor, 6 unidades de contagem são feitas, possibilitando uma resolução de 60.

Para calcular a resolução de uma das juntas do robô, por exemplo a junta do cotovelo, deve-se lembrar que o alojamento do motor possui uma coleção de engrenagens que movem-se uma a outra. A razão de transmissão entre estas engrenagens é de 127,7:1 , dando uma resolução de saída do motor de:

S = 60/127,7 = 0,47

A resolução da junta de cotovelo é:

que é uma resolução muito boa para um robô didático, sem ter um alto custo.

Os encoders do SCORBOT-ER III são montados no motor e não nas juntas como seria preferível, pois o movimento do motor nem sempre é diretamente proporcional ao movimento da junta. As transmissões conectando o motor às juntas introduzem um grau de incerteza, levando a valores imprecisos de posição.

Neste caso, a montagem do encoder na junta de forma a ter a mesma resolução de 0,12 aumentaria em muito o custo do equipamento, pois, para alcançar tal resolução seria necessário utilizar um disco com 3000 pares de furos, para cada um de seus 6 encoders.

O uso de encoders simples, com 6 furos, permite um baixo custo e uma boa resolução, a nível de uso educacional.

Capítulo 2-6 - Entradas e Saídas: Comunicação entre o robô e seu ambiente.

INTRODUÇÃO Até o momento, foi vista uma descrição do robô e seus vários componentes. Mas deve-se ter em mente que o robô não realiza seu trabalho em um ambiente isolado e, sim, serve máquinas ou outros robôs. Logo, é muito importante coordenar a temporização e as operações de todos os componentes do sistema.

Para garantir esta coordenação, ou sincronização, entre o robô e seu ambiente, utiliza-se de entradas e saídas. Entradas são sinais do ambiente para o robô. Saídas são sinais do robô para o ambiente . As seções seguintes discutirão entradas e saídas e como elas trabalham.

ENTRADAS Suponha, por exemplo, um transportador onde as peças não são distribuídas regularmente. Compondo o sistema há, também, um robô que tem por função descarregar as peças do transportador. Prevê-se, de imediato, que a chegada da peça no ponto de descarga não pode ser prevista com exatidão. Como o robô pode saber quando a peça que deve ser descarregada, chegou no ponto de descarga?

Isto pode ser resolvido com a instalação de uma chave no transportador, no ponto no qual o robô descarrega as peças que estão chegando.

A chave, que pode ser mecânica, óptica ou outra, é um dispositivo que conecta ou desconecta dois condutores elétricos. A figura 1 mostra uma chave mecânica.

Fig. 1 - Chave mecânica

A seqüência para fazer uma conexão elétrica começa com uma pressão que deve ser exercida na alavanca, que empurra o pino. O pino, então, fecha a chave e uma conexão

elétrica (curto-circuito) é criada entre os condutores. Ambos condutores são conectados ao controlador, que pode, assim, identificar o status da chave (aberta ou fechada).

Quando uma peça no transportador alcança o ponto de descarga, ela pressiona a microchave, que fecha a chave. O controlador identifica o curto resultante entre os dois terminais dos condutores, e atua no braço mecânico do robô que agarra a peça que pressionou a alavanca, e descarrega a peça do transportador, de acordo com o programa armazenado na memória do computador. A figura 2 ilustra este método.

Fig. 2 - Operação da chave mecânica

A figura 3 mostra um outro método de solucionar o problema de descarga. Este sistema é composto de uma fonte de luz e um detector de luz montado no lado oposto do transportador. Até a peça chegar no ponto de descarregamento, o detector "vê" a fonte de luz e emite um certo sinal elétrico para o controlador. Quando a peça chega no ponto, ela bloqueia o campo de visão entre a fonte de luz e o detector. O detector então, muda o nível do sinal elétrico que é transmitido ao controlador.

Fig. 3 - Posicionamento com detector

A entrada óptica é geralmente mais prática em aplicações deste tipo. Contudo, a máxima distância entre a fonte de luz e os detectores é muito limitada, e paralelo a isso, eles podem sofrer mal funcionamento devido a interferências de luz de seus arredores.

APLICAÇÕES DE ENTRADA NO ESCORBOT-ER III

O sistema do robô possui 8 entradas. O usuário instala as microchaves como ele julgar conveniente, com um par de fios ligando cada microchave a um ponto de conexão no painel do controlador, como mostra a figura 4.

Fig. 4 - Ligação das entradas

Até agora, nós vimos as conexões de entrada. Para verificar o status da entrada - por exemplo, da entrada 3 - o usuário escreve um comando no programa, como a seguir:

IF INPUT 3 IS ON, THEN ROBOT SHOULD DO A PREDEFINED TASK. IF INPUT IS OFF, THEN IT SHOULD DO ANOTHER TASK.

"Input on" significa que a alavanca está pressionada. "Input off" significa que a alavanca não está pressionada.

Em adição as oito entradas que podem ser conectadas ao sistema, o SCORBOT-ER III possui uma simulação de entrada do painel do controlador, obtida através de dois botões, conectados em paralelo às entradas 1 e 2 do robô. Estes botões possibilitam aos estudantes praticar operações de entrada sem microchaves instaladas na célula de trabalho. Estas entradas são chamadas de entradas didáticas.

SAÍDAS O princípio das saídas é similar ao das entradas. Saídas são também projetadas para prover sinalização entre o robô e seu ambiente e/ou operar equipamentos externos e máquinas.

Imagine um robô cuja tarefa é agarrar uma broca, trazê-la para a posição acima da peça de trabalho, perfurar um buraco dentro de um certo período de tempo, parar a broca, e levá-la para a próxima posição de perfuração. O problema nesta aplicação é controlar a broca. Não é conveniente que a broca gire através de toda a operação, já que desperdiçaria eletricidade e provocaria sobreaquecimento da mesma. Logo, sua operação deve ser controlada, a fim de que a broca seja ligada no exato momento acima de cada posição de perfuração, e seja desligada depois de cada operação completa de perfuração.

Este controle pode ser feito através de sinais de saída presentes no sistema do robô. O controlador sabe quando a broca está posicionada exatamente acima do ponto de

perfuração. No ponto exato, o controlador comanda uma saída para girar a broca. A broca é desligada após completar a perfuração de cada buraco, por meio da mesma saída.

Como fazer este tipo de saída trabalhar?

Isto pode ser feito através do uso de um relê, como mostra a figura 5.

Fig. 5 - Chave magnética

Um relê é composto de dois componentes básicos: uma bobina e uma chave. Quando relê é ativado, uma corrente "I" flui através da bobina. Como resultado, um campo magnético é criado perto da bobina. Este campo atrai a chave, fechando-a. A chave fica nesta posição enquanto a corrente fluir na bobina. Quando a corrente para de fluir, o campo magnético torna-se inativo, e a chave abre.

Agora, como os relês podem ser integrados ao sistema do robô, e como eles podem ser usados para solucionar o problema de perfuração descrito acima? A figura 6 mostra como isto pode ser feito.

Fig. 6 - Esquema de ligação do relê

Os terminais C e D do relê são conectados em série ao circuito que inclui um motor elétrico, que opera a broca, e uma fonte de tensão para o motor. Enquanto a chave permanece aberta, não flui corrente através do motor, que não gira. O motor começará a girar quando a chave fechar.

Os terminais A e B do relê são conectados ao controlador. O controlador pode enviar corrente através da bobina do relê em um determinado instante, fechando o relê e ativando o motor.

Em contraste com as entradas, que são componentes passivos, habilitando o controlador a verificar as chaves, saídas são componentes ativos que realmente operam dispositivos externos.

As entradas de um robô são freqüentemente usadas para controlar a duração da ativação de uma saída do robô. A saída é ativada quando uma certa entrada é fechada, e desativada quando a entrada abre.

APLICAÇÕES DE SAÍDA NO SCORBOT-ER III

O sistema do robô possui, também, 8 saídas. Estas saídas são divididas em dois grupos: 4 relês de saída e 4 saídas didáticas.

Os relês de saída permitem ativar equipamentos externos, tais como motores, na seqüência, para implementar operações na célula de trabalho.

As saídas didáticas consistem de LED's que se iluminam, quando o programa dá um comando para uma certa unidade do equipamento de saída. Estas saídas possibilitam simulações para testar o aprendizado dos estudantes com relação aos princípios das saídas, além do uso de saídas na pratica.

A figura 7 ilustra a conexão de um sinal de saída para um equipamento externo.

Fig. 7 - Esquema de ligação das saídas

A conexão pode ser realizada em um dos dois seguintes modos:

Conectando o equipamento externo aos conectores N.O. (normalmente aberto) e COM (comum).

Conectando o equipamento aos conectores N.C. (normalmente fechado) e COM.

Estes dois modos são mostrados nas figuras 8 e 9 respectivamente.

Fig. 8 - Relê normalmente aberto

Fig. 9 - Relê normalmente fechado

A operação de saída pode ser feita por meio de um relê como mostra a figura 10.

Fig. 10 - Conjunto de relês

Para ativar uma saída - por exemplo, saída 2 - o usuário escreve um comando no programa, como segue:

TURN ON OUTPUT 2

Para desconectar a saída, o usuário escreve:

TURN OFF OUTPUT 2

Para integrar entradas e saídas, o usuário escreverá uma série de comandos como a seguir:

LINE 1 TURN ON OUTPUT 2

LINE 2 IF INPUT 3 ON, JUMP TO LINE 4

LINE 3 JUMP TO LINE 2

LINE 4 TURN OFF OUTPUT 2

A explicação destes comandos é a seguinte:

LINE 1 : a saída 2 agora está ligada;

LINE 2 : a entrada 3 serve para verificar o estado do evento que controla a saída 2. O controlador verifica a entrada 3. Se a entrada está ligada, o programa irá para a linha 4, onde ele desconectará a saída 2. Se a entrada 3 estiver desligada, o programa irá para a próxima linha (neste caso, linha 3).

LINE 3 : o programa retorna para a linha 2 para ver se a entrada 3 se tornou ativa. Enquanto a entrada 3 não vir a ficar ativa, a saída 2 permanece ativa.

CAPÍTULO 2-7

Ponto de inicialização do robô (Robot Home)

INTRODUÇÃO Como já foi visto, chaves são usadas para identificar a posição de peças. Contudo, chaves também podem ser usadas para outras aplicações. Nos robôs industriais, chaves são instaladas em cada articulação do braço mecânico, e são usadas para localizar o ponto de inicialização.

O que é um "ponto de inicialização"?

O "ponto de inicialização" é ponto de referência fixo, conhecido, utilizado para a localização do braço mecânico no espaço. Quando o robô é ligado depois de ter sido desligado, o "ponto de inicialização" deve primeiramente ser localizado. Somente depois, os programas podem ser carregados da memória e executados. Este ponto de referência garante que futuras execuções de programas presentes serão exatas e sem desvios. Robôs sem tal característica, serão incapazes de executar programas que demandem um alto grau de precisão.

Para encontrar seu ponto de inicialização, o controlador move uma articulação até que a chave daquela articulação seja pressionada. Ele então, vai para a próxima articulação, e assim por diante, até que todas as articulações estejam em suas posições específicas, constituindo, juntas, o ponto de inicialização daquele robô.

ENCONTRANDO O ROBOT HOME COM O SCORBOT-ER III Como nos robôs industriais, o SCORBOT-ER III é capaz também, de encontrar seu ponto de inicialização no espaço. Cada uma das articulações inclui uma chave, que é pressionada quando a articulação assume uma certa posição no espaço.

A figura 1 ilustra a forma do braço mecânico no seu ponto de inicialização. A figura 2 mostra a posição das chaves nas articulações do braço.

Os usuários podem obter vantagens do programa de localização do ponto de inicialização fornecido pelo fabricante, ou pode escolher escrever seus próprios programas para esta finalidade.

Fig. 1 - Braço mecânico no ponto de inicialização

Fig. 2 - Posição das chaves

CAPÍTULO 2-10 UTILIZANDO SCORBASE PARA

OPERAR O ROBÔ

Introdução Scorbase é uma linguagem alto nível utilizada para operar o Robô didático SCORBOT-ER III, que permite o controle da trajetória do robô.

O objetivo deste capítulo é apresentar os Princípios de Operação da linguagem SCORBASE e detalhar sua divisão em três níveis:

Nível 1: para iniciantes

Nível 2 : intermediário

Nível 3 : avançado

PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO SCORBASE foi projetada para ensinar estudantes a escrever programas para o robô em dois estágios:

Estágio 1: ensinar ao robô as varias posições, às quais o usuário quer que ele alcance enquanto executa uma operação.

Estágio 2: escrever um programa para operação do robô, sendo que para isto é necessário apenas um computador deixando o robô livre para outro usuário.

A vantagem desta metodologia é a eficiência na utilização do robô, pois enquanto um usuário está escrevendo um programa, outro pode operar o mesmo (numa situação semelhante a encontrada nas indústrias ). Isto caracteriza o que se denomina "programação off line"

Além desta, uma outra característica da linguagem SCORBASE é a de permitir o controle do robô em tempo real durante a execução do programa.

SCORBASE NÍVEL 1 Este nível de programação é destinado a ensinar ao estudante como posicionar o robô e explicar como estas posições são usadas na programação off line.

Ao iniciar o trabalho com Scorbase nível 1 deve-se tomar as seguintes precauções:

Ter certeza de que o braço do robô está conectado ao controlador.

Certificar-se de que o computador está conectado ao controlador

Ligar a alimentação do controlador

Ligar a chave do motor

Ligar o computador e carregar o programa SCORBASE nível 1

Quando o programa estiver carregado o MENU PRINCIPAL será exibido:

MAIN MENU

1 TEACH POSITIONS

2 EDIT PROGRAM (OFF-LINE)

3 PROGRAM HANDLING

4 RUN PROGRAM

5 HOME

O Menu Principal, como mostrado na figura acima, inclui as seguintes opções:

TEACH POSITIONS: esta opção mostrará uma tela na qual o usuário pode movimentar o robô a partir do teclado do computador, e gravar as posições desejadas na memória.

EDIT PROGRAM (OFF-LINE): esta opção mostra uma tela a partir da qual o usuário pode escrever novos programas para o robô, listar o programa atual, apagar e adicionar novas linhas a programas existentes e deletar programas.

PROGRAM HANDLING: esta opção mostra uma tela a partir da qual o usuário pode realizar operações de disco tais como: gravar novos programas, carregar programas previamente escritos, apagar e listar programas.

RUN: esta opção mostra uma tela a partir da qual o usuário pode executar passo a passo ou num ciclo contínuo os programas que foram escritos.

A estrutura destes menus será discutida a seguir.

TEACH POSITIONS MENU

Este menu é selecionado teclando [ 1 ] a partir do MAIN MENU, aparecendo então uma tela conforme a FIGURA 2.

TEACH POSITIONS MENU

1/Q MOVE BASE RIGHT/LEFT

2/W MOVE SHOULDER UP/DOW

3/E MOVE ELBOW UP/DOW

4/R MOVE WRIST-PITCH UP/DOW

5/T MOVE WRIST-ROLL UP/DOW

6/Y MOVE AXIS 6 +/-

7/U MOVE AXIS 7 +/-

OG/OC OPEN/CLOSE GRIPER

F/S FAST/SPEED

GP GO TO POSITION #

P RECORD POSITION

L LIST/DELETE POSITIONS

H SET PRESENT POSITION AS HOME

<ESC> RETURN TO MAIN MENU

MOVENDO AS ARTICULAÇÕES DO ROBÔ

Para ensinar posições no espaço, o usuário move as articulações do robô até que a garra esteja localizada na posição desejada. As primeiras sete posições do menu TEACH POSITIONS são destinadas a executar esta função, sendo que nas cinco primeiras opções, o movimento ocorre nas articulações do braço mecânico, e nas opções 6 e 7, são fornecidos dois graus de liberdade adicionais.

MENSAGEM DE ERRO DE COMUNICAÇÃO

Se uma das teclas de funções acima citadas for pressionada quando o controlador do robô está desligado, ou quando o cabo de comunicação está desligado, será mostrada a seguinte mensagem:

"COMUNICATION ERROR"

Esta mensagem será mostrado até que se ligue o controlador do robô e se pressione a tecla <ESC> o que causará o retorno do MAIN MENU para a tela.

MENSAGEM DE ERRO DO MOTOR

Se um das teclas de funções for pressionada quando for impossível o movimento da articulação correspondente, devido a uma parada mecânica que impede o movimento,

ou porque o motor desta articulação não está conectado ao controlador, aparecerá a seguinte mensagem:

"MOTOR X ERROR!

PRESS 'C' TO CONTINUE OR 'M'TO RETURN

TO MENU"

Onde o "x" da mensagem corresponde ao motor incapaz de se movimentar. Qualquer tecla que não seja 'C' ou 'M', será rejeitada pelo computador.

ABRINDO E FECHANDO A GARRA

A garra do robô reage aos comandos "OPEN" e "CLOSE" movendo-se para um estado completamente aberto ou fechado quando é teclado [OG] e [CG] respectivamente. Se um objeto está posicionado entre os dedos da garra, o movimento para quando os dedos tocam-no

Se a garra já está completamente aberta ou fechada ao se tentar, respectivamente, abri-la ou fechá-la, nenhum movimento será executado.

MOVIMENTO DE BAIXA/ALTA RESOLUÇÃO (VELOCIDADE DE MOVIMENTO)

Resolução é um conceito usado para definir o menor movimento que o robô é capaz de executar. No SCORBOT ER- III, este movimento é medido em pulsos de encoder. Selecionando o comando "FAST/SPEED MOVMENT", é possível ajustar a velocidade do movimento.

Quanto maior for a velocidade, mais rápido e suave é o movimento, e quanto menor a velocidade, mais truncado será o movimento, por isto, a baixa

MANDANDO O ROBÔ PARA POSIÇÕES ARMAZENADAS NA MEMÓRIA

Para mover rapidamente o robô para posições previamente armazenadas na memória , o comando [GP] - Go Position - seguido do número da posição armazenada na memória, realiza esta tarefa.

O usuário deve tomar as precauções para que não haja obstáculos entre o braço do robô e a posição desejada, além disto, se o usuário decidir cancelar o comando GO POSITION, pode fazê-lo pressionando <ENTER> antes de entrar o número da posição, ou pressionando [B], durante a realização do movimento (o que implica na parada do movimento). No primeiro caso um beep é soado ao se cancelar o comando, e no último será exibida a seguinte mensagem:

"PRESS "C" TO CONTINUE

"M" TO RETURN TO MENU"

Caso o usuário tenha entrado um número para as posições que não esteja compreendido entre 1 e 100, a seguinte mensagem será exibida:

"VALUE IS OUT OF RANGE"

Caso se mande o robô para uma posição que não existe na memória, a mensagem abaixo será exibida:

"POSITION IS EMPTY"

GRAVANDO POSIÇÕES NA MEMÓRIA

O comando RECORD POSITION é utilizado para se gravar uma determinada posição do braço do robô. Para tanto, deve-se teclar [P] e entrar uma posição de 1 a 100

Caso uma posição ilegal seja fornecida, a gravação é cancelada, um BEEP é soado e a seguinte mensagem é exibida:

"VALUE IS OUT OF RANGE"

DEFININDO POSIÇÃO ATUAL COMO "HOME"

O comando HOME é utilizado no nível 1 da linguagem SCORBASE, para definir como HOME a posição atualmente ocupada pelo braço do robô. Desta forma, teclando-se [H], a seguinte mensagem será exibida:

"SET PRESENT POSITION AS HOME

ARE YOU SURE ? (Y/N)"

A confirmação desta mensagem (Y) define como HOME a posição corrente.

LISTANDO/DELETANDO POSIÇÕES DA MEMÓRIA

O comando [L] do menu TEACH POSITIONS chama outro menu: o menu LIST /DELETE POSITIONS que é mostrado a seguir.

LIST DELETE POSITIONS

1 LIST POSITION

2 LIST FROM POSITION

3 DELETE POSITION

4 DELETE FROM POSITION ... TO POSITION ...

5 DELETE ALL

6 PRINT POSITIONS

<ESC> RETURN TO TEACH POSITIONS MENU

A opção [1] pede que seja entrado o número do ponto que se deseja listar e mostra as coordenadas do ponto escolhido uma unidade correspondente ao número de pulsos dos encoders de cada articulação. Caso pontos cujo número não foi gravado sejam solicitados, é exibida a seguinte mensagem:

"POSITION IS EMPTY"

Caso os pontos solicitados tenham número menor que zero ou maior que 100, é exibida a mensagem:

"VALUE IS OUT OFF RANGE"

A opção [2] deste menu (LIST FROM POSITION) lista as posições a partir da posição fornecida pelo usuário.

As opções [3], [4] e [5] são destinadas a apagar as posições armazenadas na memória, sendo que DELETE POSITION apaga apenas a posição fornecida pelo usuário, DELETE FROM POSITION...TO POSITION ..., apaga uma faixa de posições fornecida pelo usuário, e DELETE ALL apaga todas as posições da memória.

A opção PRINT POSITIONS é a de número [6] e se destina a imprimir as posições gravadas

MENU EDIT PROGRAM (OFF LINE)

Este menu corresponde à opção [2] de MAIN MENU e se destina a escrever programas simples onde o robô executa sequencialmente as operações que compreendem abertura e fechamento da garra e mover o robô de uma posição à outra

EDIT PROGRAM (OFF LINE)

O/C OPEN/CLOSE GRIPPER

1 GO POSITION

I INSERT LINE

X REPLACE LINE

L LIST/DELETE

<ESC> RETURN TO MAIN MENU

1 [ ]

Capítulo 2-11 - Escrevendo um Programa para Localização do "Hard Home"

Introdução Como já exposto em outros capítulos, o processo de localização da referência ("home") do robô depende diretamente da sua habilidade de identificar as posições das microchaves instaladas nas ligações do braço do robô, perto das junções.

Uma vez que o SCORBASE fornece ao usuário informações sobre o status destas microchaves, o programa de localização do "Hard Home" pode ser escrito como um programa qualquer.

Comandos Invisíveis

No conjunto de comandos mostrados na tela do editor de programas (EDIT PROGRAM (OFF-LINE)), quatro comandos foram intencionalmente omitidos no capítulo anterior. A omissão se dá para evitar que o uso de tais instruções sejam usadas por usuários inexperientes.

Os comandos "invisíveis" -- que servem basicamente para localizar o "hard home" -- são os seguintes:

<CTRL> J: SET PRESENT POSITION AS HOME - computador seta artificialmente as coordenadas para zero.

<CTRL> K: MESSAGE #... - imprime algumas mensagens pré-estabelecidas, sendo estas numeradas de 1 a 18.

<CTRL> L: IF LIMIT SWITCH #. ON JUMP TO ... - o usuário preenche o campo com o número da chave a ser checada e o número da linha a pular, caso a chave esteja ligada.

<CTRL> P: SET AXIS #. TO ZERO - seta um zero na tabela de posições no lugar do eixo especificado.

Escrevendo o Programa de Localização do "Hard Home"

Apesar de existirem vários métodos de para a elaboração de tal programa, foi usado aqui um modelo simples, rápido, que requer o conhecimento apenas da linguagem de nível 3 do SCORBASE, além dos comando a pouco citados.

O processo inicia pela movimentação da junção da base do robô (eixo 1) em uma dada direção. Os movimento são curtos (15 passos por movimento). Após cada movimento, checa-se a posição da microchave da junção da base. Se esta estiver pressionada, o eixo passa a mover em incrementos de um passo por movimento, de modo a localizar o ponto em que a chave é desligada, para ter uma maior precisão na localização do "hard home".

A importância do ponto que separa a microchave pressionada e a microchave solta é a maior precisão de posicionamento do robô, uma vez que existe mais de uma posição possível de uma junção quando a microchave está pressionada.

De maneira similar, os eixos restantes são posicionados, um de cada vez, até que o "home" seja localizado.

Os fluxogramas a seguir descrevem o processo de sincronização para os eixos do robô.

A seguir, tem-se o exemplo de programa utilizado para a localização do "hard home":

Sincronização da Base

1 SET PRESENT POSITION AS HOME 2 IF LIMIT SWITCH 1 ON JUMP TO 20 3 SET COUNTER #1 TO 40 4 GO POSITION 1 *FAST 5 IF LIMIT SWITCH #1 ON JUMP TO 20 6 SET PRESENT POSITION AS HOME 7 DECREMENT COUNTER #1 8 IF COUNTER #1 > 0 JUMP TO 4 9 GO POSITION 2 *FAST 10 IF LIMIT SWITCH #1 ON JUMP TO 20 11 SET PRESENT POSITION AS HOME 12 SET COUNTER #1 TO 40 13 GO POSITION 3 *FAST 14 IF LIMIT SWITCH #1 ON JUMP TO 20 15 SET PRESENT POSITION AS HOME 16 DECREMENT COUNTER #1 17 IF COUNTER #1 > 0 JUMP TO 13 18 MESSAGE #1 19 JUMP TO LINE 31 20 SET PRESENT POSITION AS HOME 21 SET COUNTER #1 TO 150 22 GO POSITION 4 *FAST 23 SET PRESENT POSITION AS HOME 24 IF LIMIT SWITCH #1 ON JUMP TO 26 25 JUMP TO LINE 30 26 DECREMENT COUNTER #1 27 IF COUNTER #1 > 0 JUMP TO 22 28 MESSAGE #1 29 JUMP TO LINE 31 30 MESSAGE #1

Sincronização do Ombro

31 SET PRESENT POSITION AS HOME 32 IF LIMIT SWITCH #2 ON JUMP TO 41 33 SET COUNTER #2 TO 75 34 GO POSITION 5 *FAST 35 IF LIMIT SWITCH #2 ON JUMP TO 41 36 SET PRESENT POSITION AS HOME 37 DECREMENT COUNTER #2 38 IF COUNTER #2 > 0 JUMP TO 34 39 MESSAGE #12 40 JUMP TO LINE #52 41 SET PRESENT POSITION AS HOME 42 SET COUNTER #2 TO 500 43 GO POSITION 6 *FAST 44 SET PRESENT POSITION AS HOME 45 IF LIMIT SWITCH #2 ON JUMP TO 47 46 JUMP TO LINE 51 47 DECREMENT COUNTER #2 48 IF COUNTER #2 > 0 JUMP TO 43 49 MESSAGE #12 50 JUMP TO LINE 52 51 MESSAGE #2

Sincronização do Cotovelo

52 SET PRESENT POSITION AS HOME 53 IF LIMIT SWITCH #3 ON JUMP TO 73 54 SET COUNTER #3 TO 30 55 GO POSITION 7 *FAST 56 IF LIMIT SWITCH #3 ON JUMP TO 71

57 SET PRESENT POSITION AS HOME 58 DECREMENT COUNTER #3 59 IF COUNTER #3 > 0 JUMP TO 55 60 SET PRESENT POSITION AS HOME 61 GO POSITION 11 *FAST 62 SET PRESENT POSITION AS HOME 63 SET COUNTER #3 TO 30 64 GO POSITION 9 *FAST 65 IF LIMIT SWITCH #3 ON JUMP TO 73 66 SET PRESENT POSITION AS HOME 67 DECREMENT COUNTER #3 68 IF COUNTER #3 > 0 JUMP TO 64 69 MESSAGE #13 70 JUMP TO LINE 84 71 SET PRESENT POSITION AS HOME 72 GO POSITION 10 *FAST 73 SET PRESENT POSITION AS HOME 74 SET COUNTER #3 TO 400 75 GO POSITION 8 *FAST 76 SET PRESENT POSITION AS HOME 77 IF LIMIT SWITCH #3 ON JUMP TO 79 78 JUMP TO LINE 83 79 DECREMENT COUNTER #3 80 IF COUNTER #3 > 0 JUMP TO 75 81 MESSAGE #13 82 JUMP TO LINE 84 83 MESSAGE #3

Sincronização do Pitch do Pulso

84 SET PRESENT POSITION AS HOME 85 IF LIMIT SWITCH #4 ON JUMP TO 105

86 SET COUNTER #4 TO 20 87 GO POSITION 12 *FAST 88 IF LIMIT SWITCH #4 ON JUMP TO 105 89 SET PRESENT POSITION AS HOME 90 DECREMENT COUNTER #4 91 IF COUNTER #4 > 0 JUMP TO 87 92 GO POSITION 15 *FAST 93 IF LIMIT SWITCH #4 ON JUMP TO 105 94 SET PRESENT POSITION AS HOME 95 SET COUNTER #4 TO 20 96 GO POSITION 14 *FAST 97 IF LIMIT SWITCH #4 ON JUMP TO 105 98 SET PRESENT POSITION AS HOME 99 DECREMENT COUNTER #4 100 IF COUNTER #4 > 0 JUMP TO 96 101 MESSAGE #14 102 JUMP TO LINE 116 103 SET PRESENT POSITION AS HOME 104 GO POSITION 16 *FAST 105 SET PRESENT POSITION AS HOME 106 SET COUNTER #4 TO 150 107 GO POSITION 13 *FAST 108 SET PRESENT POSITION AS HOME 109 IF LIMIT SWITCH #4 ON JUMP TO 111 110 JUMP TO LINE 115 111 DECREMENT COUNTER #4 112 IF COUNTER #4 > 0 JUMP TO 107 113 MESSAGE #14 114 JUMP TO LINE 116 115 MESSAGE #4

Sincronização do Roll do Pulso

116 SET PRESENT POSITION AS HOME 117 IF LIMIT SWITCH #5 ON JUMP TO 135 118 SET COUNTER #5 TO 30 119 GO POSITION 17 *FAST 120 IF LIMIT SWITCH #5 ON JUMP TO 135 121 SET PRESENT POSITION AS HOME 122 DECREMENT COUNTER #5 123 IF COUNTER #5 > 0 JUMP TO 119 124 GO POSITION 20 *FAST 125 IF LIMIT SWITCH #5 ON JUMP TO 135 126 SET PRESENT POSITION AS HOME 127 SET COUNTER #5 TO 60 128 GO POSITION 19 *FAST 129 IF LIMIT SWITCH #5 ON JUMP TO 135 130 SET PRESENT POSITION AS HOME 131 DECREMENT COUNTER #5 132 IF COUNTER #5 > 0 JUMP TO 128 133 MESSAGE #15 134 JUMP TO LINE 147 135 SET PRESENT POSITION AS HOME 136 SET COUNTER #5 TO 150 137 GO POSITION 18 *FAST 138 SET PRESENT POSITION AS HOME 139 IF LIMIT SWITCH #5 ON JUMP TO 141 140 JUMP TO LINE 145 141 DECREMENT COUNTER #5 142 IF COUNTER #5 > 0 JUMP TO 137 143 MESSAGE #15 144 JUMP TO LINE 147 145 MESSAGE #15

146 GO POSITION 21 *FAST 147 SET PRESENT POSITION AS HOME

Sincronização da Garra

148 OPEN GRIPPER As posições utilizadas nas instruções GO POSITION estão listadas na tabela abaixo:

# AX-1 AX-2 AX-3 AX-4 AX-5 AX-6 AX-7

1 15 0 0 0 0 0 0

2 -600 0 0 0 0 0 0

3 -15 0 0 0 0 0 0

4 -1 0 0 0 0 0 0

5 0 -20 0 0 0 0 0

6 0 1 0 0 0 0 0

7 0 0 -20 0 0 0 0

8 0 0 -1 0 0 0 0

9 0 0 20 0 0 0 0

10 0 0 -125 0 0 0 0

11 0 0 200 0 0 0 0

12 0 0 0 20 0 0 0

13 0 0 0 -1 0 0 0

14 0 0 0 -20 0 0 0

15 0 0 0 -10 0 0 0

16 0 0 0 -10 0 0 0

17 0 0 0 0 -10 0 0

18 0 0 0 0 -1 0 0

19 0 0 0 0 10 0 0

20 0 0 0 0 300 0 0

21 0 0 0 0 65 0 0

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