robótica industrial livro legal

8/20/2019 Robótica Industrial livro legal

1/282

PRÓLOGO

Vitor Ferreira Romano

I - AUDIÊNCIA

O livro "Robótica Industrial: Aplicação na Indústria de Manufatura e de Processos" éestruturado de forma a servir como um guia prático sobre robótica industrial a empresários,executivos e profissionais liberais que tenham alguma formação técnica e desejam se atualizar outravar seus primeiros conhecimentos no tema.

O material exposto neste livro é suficientemente abrangente para ser utilizado como textobásico para cursos de formação em Universidades (graduação, pós-graduação e extensão), nosistema SENAI e escolas técnicas.

II - ORGANIZAÇÃO DO LIVROOs capítulos foram separados em três partes visando uma melhor organização dos assuntos

abordados no livro.

A primeira parte denominada "Fundamentos Elementares" contém os sete capítulos iniciaisque propiciam ao leitor as informações necessárias para uma completa noção do que é a ciênciarobótica.

Na segunda parte, "Robótica Aplicada", estão localizados os capítulos que relacionam-semais diretamente a situações típicas de robótica aplicada em atividades de manufatura.

Finalmente na parte denominada "Complementos", o leitor terá acesso às potencialidades deuso de robôs nas mais diversas áreas e a uma abordagem consistente sobre temas econômicos esociais.

Os resumos dos conteúdos de cada capítulo são mostrados a seguir.

PARTE 1 – FUNDAMENTOS ELEMENTARES

CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO À ROBÓTICA INDUSTRIAL

Este capítulo visa introduzir ao leitor os conceitos básicos sobre a robótica industrial.Inicialmente é apresentado um resumo sobre o desenvolvimento dos robôs dentro de um contextohistórico. A seguir são discutidos aspectos relativos a sistemas robóticos como algumasdefinições de robô, os componentes necessários para que um robô seja construído, seusprincipais tipos e configurações. Os componentes que promovem a interação entre o robôindustrial e o meio a ser trabalhado, como garras mecânicas e ferramentas especiais também sãoanalisados. Finalizando, são apresentadas informações sobre a evolução histórica do número derobôs industriais instalados no Brasil e alguns exemplos de aplicações.

CAPÍTULO 2: MODELAGEM E CONTROLE DE ROBÔS


2/282

O capítulo dois é essencialmente voltado para mostrar os fundamentos teóricos queenvolvem os sistemas robóticos. Os conceitos aqui apresentados fornecem a capacitação básicapara a modelagem matemática de quaisquer configuração de robô, a partir de suas informaçõesdimensionais. Os modelos de cinemática direta, cinemática inversa e dinâmica são abordados demaneira clara e objetiva, assim como os aspectos relacionados ao controle de robôs. No anexo docapítulo dois encontram-se diversos exemplos práticos de modelagem cinemática de robôsexistentes no mercado e noções de simulação.

CAPÍTULO 3: INTEGRAÇÃO DE SINAIS E DADOS

Este capítulo trata da integração de robôs industriais no âmbito de sistemas de automaçãoindustrial. O capítulo divide-se da seguinte forma: na seção 3.2 são definidos os conceitos básicossobre sinais, modos de comunicação e outros tópicos fundamentais para a compreensão dosdesafios tecnológicos encontrados na integração de robôs industriais em sistemas de automaçãoindustrial. Na seção 3.3 os principais protocolos para comunicação em plantas robotizadas sãoapresentados, assim como suas vantagens e desvantagens. A seção 3.4 enfoca as principaistecnologias para interconexão entre os dispositivos sensores e atuadores de robôs industriais e aseção 3.5 discute aspectos referentes à incorporação de robôs industriais no contexto deintegração vertical de sistemas de automação, onde informações provenientes do chamado chão-de-fábrica são disponibilizadas para sistemas gerenciais de planejamento e controle de produção.

CAPÍTULO 4: INTERAÇÃO DE ROBÔS NO AMBIENTE

O objetivo deste capítulo é apresentar sensores e suas tecnologias que são necessários paraque o robô possa interagir com os ambientes de trabalho. Inicialmente é necessário, contudo,distinguir entre sensores que são utilizados pelo robô para controlar seu movimento e sensoresque são utilizados para auxiliar nas suas tarefas. Ao final deste capítulo o leitor será capaz deresponder as seguintes perguntas: O que são sensores internos e externos de um robô? Comopode-se detectar a presença de objetos na área de trabalho do robô? Como pode-se medir distâncias entre um sensor e objetos no ambiente? Como pode-se medir forças de contato entreum sensor e um objeto que se deseja manipular? Outro aspecto especificamente abordado nestecapítulo refere-se a visão robótica. Na seção 4.2 são relacionados três aspectos da formação deimagens: a geometria, a radiometria e o sensoreamento. Deste modo, são descritos os processos

envolvidos na transformação da imagem ótica em imagem elétrica e finalmente em imagemdigital, a qual pode então ser tratada por um computador. Na seção 4.3 examinam-se algunstópicos importantes do processamento de imagens digitais, incluindo filtragem, binarização,detecção de bordas e segmentação de imagens. A determinação de parâmetros úteis paraidentificar e localizar objetos na cena é descrita na seção 4.4, onde o reconhecimento de objetos éabordado. Finalmente, o item 4.5 descreve algumas aplicações típicas de visão computacional emrobótica.

CAPÍTULO 5: AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE ROBÔS INDUSTRIAIS

Neste capítulo, são definidos os parâmetros imprescindíveis para se quantificar a eficáciacom que um robô executa uma tarefa. Os tópicos principais aqui mencionados versam sobre aimportância e a utilização da avaliação de desempenho, onde são descritas as características

para esta avaliação estabelecidas em normas internacionais e as condições de testenormalizadas. A seguir é apresentada uma orientação para a seleção das características dedesempenho a serem testadas para algumas aplicações dos robôs. Adicionalmente, descreve-se


3/282

os procedimentos para a realização de testes comparativos entre robôs diferentes e indica-se osmétodos de medição recomendados pelas normas para a avaliação de desempenho.

CAPÍTULO 6: PROGRAMAÇÃO E SIMULAÇÃO DE ROBÔS

Inicialmente é descrito o problema básico a ser enfrentado quando deseja-se efetuar aprogramação de um robô. Em um segundo momento são mencionadas as características básicasde uma linguagem de programação e faz-se um breve histórico da sua evolução. Neste capítulo o

leitor é inserido no contexto de manufatura automatizada, capacitando-o a utilizar as principaisferramentas de programação e simulação existentes no mercado. Os métodos de programaçãoon-line e off-line são extensamente analisados, bem como as linguagens de programação derobôs industriais. Um especial enfoque é dado à simulação de robôs, onde programas desimulação comerciais e didáticos de robôs industriais são apresentados. Por fim, foram incluídosalguns exemplos com listagens de programas de tradicionais fabricantes de robôs.

CAPÍTULO 7: SELEÇÃO DE ROBÔS: ALGUNS ASPECTOS

Este capítulo refere-se a seleção de robôs com abordagens econômica e técnica focadas emduas partes principais. Uma parte dedicada aos macro aspectos econômicos de sistemasrobotizados como a análise inicial de custo de implementação - identificação das soluçõesalternativas de fabricação, estudo de viabilidade, escolha da tarefa a ser robotizada, ponderação

de critérios não econômicos e etc - e a análise detalhada de custo como avaliação de período,depreciação e exigências fiscais. Outra parte é dedicada aos micro aspectos na seleção de robôs,que se referem ao projeto detalhado do sistema robotizado. Dentre estes tem-se a análise dascaracterísticas do trabalho, planejamento de métodos de trabalho e processos, projeto do arranjofísico, medidas de desempenho, e a integração da ergonomia humana e de robôs.

PARTE 2 – ROBÓTICA APLICADA

CAPÍTULO 8: SOLDAGEM ROBOTIZADA

O estado da arte da soldagem robotizada é apresentada de forma abrangente neste capítulo.Inicialmente são analisados os principais processos de soldagem robotizada como MIG/MAG eTIG, soldagem e corte a laser, soldagem e corte à plasma e soldagem por resistência elétrica por

pontos. A seguir são mencionados os aspectos relacionados à programação de robôs para asoldagem, incluindo as definições de termos e controles básicos freqüentemente utilizados emsoldagem robotizada, uma seqüência ideal para a implementação de programa e um exemplo deseqüência de programação em soldagem com eletrodo sólido contínuo sob proteção gasosa(GMAW). O projeto de juntas e tolerâncias para a soldagem robotizada, bem como alguns critériospara a aplicação, escolha e aquisição de robôs, além da monitoração em processos de soldagema arco são aqui discutidos. A última seção trata dos problemas inerentes à robotização doprocesso de soldagem.

CAPÍTULO 9: MONTAGEM

Este capítulo inicia-se com a apresentação de informações relativas ao processo demontagem na indústria de manufatura. São definidas as principais operações de montagem eanalisadas as características e componentes dos sistemas manuais e robotizados. No itemrelativo ao projeto orientado à montagem vem apresentadas uma série de recomendações


4/282

voltadas para a otimização do projeto do produto para a montagem em geral e para a montagemrobotizada mais especificamente. Exemplos complementam os tópicos estudados.

CAPÍTULO 10: SISTEMAS PERIFÉRICOS PARA ROBÔS INDUSTRIAIS

Este capítulo aborda aspectos relacionados a equipamentos denominados periféricos,utilizados na composição do cenário de atuação de um sistema robótico. Estes equipamentos sãofundamentais para a realização das tarefas operacionais, localizando-se de forma determinada no

chão de fábrica para que ocorram as condições perfeitas de interação com o robô. O controle demovimentação dos equipamentos periféricos é vinculado diretamente à unidade de controle dorobô geralmente através de sinais enviados por sensores que monitoram o cenário de atuação.Na intenção de se realizar um trabalho direcionado ao mercado nacional, buscou-se enfatizar autilização do sistema robótico em áreas distintas e em especial na área automobilística, queagrega a maior parte dos investimentos em automação. São mencionadas algumas experiênciasacumuladas na área de manufatura pelo SENAI, inclusive algumas aplicações em indústrias eexemplos desenvolvidos nos próprios laboratórios da rede SENAI. Sistemas periféricos bastanteusados em robótica como mesas “JIG” e esteiras transportadoras são analisados e empregadosem estudos de caso em processos de pintura, pulverização térmica e montagem.

PARTE 3 – COMPLEMENTOS

CAPÍTULO 11: TENDÊNCIAS E APLICAÇÕES ESPECIAIS

Inicialmente é mostrado um estudo dos sistemas de telerobótica que se utilizam da internetcomo meio de controle. Posteriormente é apresentada uma metodologia para o desenvolvimentode sistemas robóticos teleoperados via internet, a qual vem demostrada nas seguintes situações:um manipulador com dois graus de liberdade, um robô industrial comercial, um robô móveldidático e um robô móvel comercial. Os sistemas desenvolvidos demonstram que a teleoperaçãovia internet de sistemas robóticos e de outras equipamentos é viável, mesmo utilizando-se umataxa de transmissão de dados com baixa largura de banda. Outro aspecto muito explorado nestecapítulo refere-se aos variados tipos de robôs especiais e suas aplicações, como robôs móveiscom patas e esteiras, robôs para operações de limpeza, robôs de segurança, robôs submarinos,robôs usados em explorações espaciais, robôs hospitalares, robôs de entretenimento e etc. Umabreve discussão sobre as tendências futuras da robótica finaliza o capítulo.

CAPÍTULO 12: ASPECTOS ECONÔMICOS E SOCIAIS DA ROBÓTICA

O objetivo deste capítulo é abordar questões relativas aos aspectos econômicos e sociais douso de robótica, e de automação em geral, analisando como uma empresa deveria tomar suasdecisões de investimento quanto a esses equipamentos, e tecer comentários sobre os impactosnos seus recursos humanos. Informações úteis ao empresário que deseja investir na área deautomação e robótica foram incluídas, como as principais instituições (e seus mecanismos) queoferecem linhas de crédito ou financiamentos específicos para investimentos emautomação/robótica e novas tecnologias. Também são indicadas instituições que prestamserviços que visam contribuir à gestão empresarial, a otimização da capacidade produtiva, aopadrão de qualidade dos produtos e serviços, treinamento, capacitação do profissional e outros.O tema impacto nos recursos humanos é tratado na perspectiva de como as empresas que semodernizam tratam o macro-tema recursos humanos, em particular suas estratégias dequalificação.


5/282


6/282

V - AGRADECIMENTOS **** Parte a ser completada ****

Os autores agradecem . . . SENAI, FINEP . . . Autosimulations, ABB, UFES, UFMG, UFPE,UFRGS, UFRJ/COPPE, UFSC, UNB, UNICAMP, EPUSP, Universidade do Porto, InstitutoPolitécnico de Coimbra.

. . . os autores do 1o capítulo o dedicam ao prof. Jan Leon Scieszko por tê-los sempre incentivadoao longo de suas carreiras.

. . . o autor do 2o capítulo

VI - COMO NOS CONTATAR **** Parte a ser completada ****

http://www.recope.livrorobotica.com.br

http://www


7/282

PREFÁCIO

José Reinaldo Silva

Até bem pouco tempo atrás, os robôs, particularmente os manipuladores, vinham sendovistos como o último e mais elevado estágio da utilização de objetos (transformados) da naturezapara estender a capacidade de realização do ser humano. O caráter de estágio avançado sendoera dado não apenas pelo grau de autonomia mas também pela observância das característicasdo seu próprio criador.

Recentemente porém o “charme” destes artefatos - notadamente o aspecto humanóide -passou a dar lugar a ponderações de custo/benefício sobre sua utilização, principalmente naúltima fase de racionalização da produção industrial. Entretanto, estes questionamentos, se bemque pertinentes e até oportunos, enfrentam também uma realidade de internacionalização daprodução onde se exige um grau de repetitividade e precisão muito maiores do que se praticava

anteriormente.O que se pode esperar desta discussão (deixando de lado neste momento os seus aspectos

político-econômicos) é sem dúvida uma maior clareza na utilização de insumos e da automaçãoem geral no processo industrial, em especial da robótica. Certamente já é reconhecido que ascaracterísticas dos robôs devem ser orientadas pela ergonomia da função que este deve exercer,mesmo que (e talvez especialmente nestes casos) estas os levem para longe das características“humanas”. Também já é quase consenso que a uma boa programação – envolvendo aí aintegração do robô com os demais artefatos do processo de fabricação - é a base para o usoracional e mais proveitoso dos robôs na fase de globalização. Portanto a tendência atual (no quediz respeito a Automação Industrial) é extrair dos robôs, através da programação e interação comsistemas de supervisão, uma maior flexibilidade de ação no ambiente de produção – o que vaialém do que a sua reconhecida capacidade de repetição com precisão pode oferecer.

Este debate globalizante encontra o Brasil, neste final de século, com menos de duas milunidades instaladas (em 1997), mas com um crescimento vertiginoso nos últimos anos,principalmente nas montadoras de automóveis, na base de 500% da base instalada. Ao ladodeste crescimento fantástico (que certamente busca o uso convencional da robótica) surge, noBrasil, um novo cliente para os fabricantes de robô, vindo da média empresa, em busca de umvalor agregado para seu produto que seja reconhecido internacionalmente. Este novo cliente temnovas necessidades e exigências, ainda não plenamente atendidas pelo mercado, principalmentepor falta de pessoal treinado e capacidade para além da programação reflexa, criar e implementar novas soluções.

Podemos portanto prever um gargalo na implantação de robôs no país, dado que não existemhoje mais que 30 cursos superiores com disciplinas de robótica, e praticamente não existemcursos de treinamento voltados ao mercado1, além dos cursos de programação e treinamento deusuários fornecidos pelos fabricantes (quando as unidades são vendidas). Isto é sem dúvida

insuficiente, principalmente para atender à nova demanda a que nos referimos nos parágrafosanteriores.

1 Os SENAIS parecem ser a única exceção.


8/282

Este fato é preocupante, já que o crescimento surpreendente da base instalada e osurgimento da nova clientela baseada na pequena e média empresa (o cliente do futuro)demandarão profissionais treinados em diversos níveis, variando desde o engenheiro de sistemase o projetista até o programador/supervisor do sistema. Este processo certamente envolve umadisseminação e até uma vulgarização do uso dos robôs.

É ainda mais alarmante que até ano 2000 nenhuma proposta tenha aparecido para tratar esteproblema. Principalmente se levarmos em conta que, para a pequena e média empresa que seapresenta como um cliente importante (dado o seu número) soluções individualizadas são

inviáveis pelo custo que estas implicam. Assim, a entrada destas empresas no mercadocomprador de robôs parece vir acompanhado de muita confusão e exigências não atendidas.

Pensando neste problema, e tendo como sua principal função a assistência à pequena emédia empresa a Sub-rede de Automação da Manufatura do RECOPE, financiada pela FINEP,resolveu propor a vários agentes com potencialidade para atacar este problema, em particular aoSENAI, uma parceria para lançar o que certamente é o primeiro livro de robótica preocupado nãosomente com a parte conceitual mas com o uso prático dos robôs, consubstanciado por exercíciosfeitos em simuladores e filmes com exemplos de aplicações.

O livro pretende ser um instrumento auto-contido, que pode ser aplicado em cursosconvencionais de graduação em Mecatrônica, Engenharia Mecânica ou Engenharia Elétrica,assim como em cursos de treinamento de nível técnico ou superior de curta duração. Esta largafaixa de audiência é de fato um desafio para os autores e para a Sub-Rede de Automação da

Manufatura, que foi obrigada a reunir uma equipe de 17 doutores abrangendo os mais diversosaspectos da utilização de robôs, desde a conceituação e modelagem, até a aplicação e aosaspectos de impacto econômico e social. Acrescente-se este time a participação do Prof. JackOwen (University of Cranfield, UK), um dos criadores do simulador (de mercado) que acompanhao livro.

A Sub-Rede de Automação da Manufatura, composta hoje por 20 instituições de pesquisa eensino espalhadas por dez estados da união mais o Distrito Federal, envolvendo o trabalho de 84pesquisadores da área de Automação, nos temas de Modelagem e Gestão, Design de Sistemas eChão de Fábrica é também parte da rede européia ICIMS-NOE (Intelligent Control and IntegratedManufacturing Systems-Network of Excellence).

O leitor atento poderá depreender das páginas deste livro muito da experiência acadêmica eprática destes pesquisadores e algo do trabalho pioneiro que estes vêm – mesmo antes da

criação da sub-rede – desenvolvendo, diretamente na área de robótica ou indiretamente ligado aesta.

Prof. Dr. José Reinaldo Silva

Coordenador Nacional da Manet

Manufacturing Automation Network


9/282

GLOSSÁRIO DE TERMOS TÉCNICOS

Amb iente est ruturado - É o ambiente onde os parâmetros necessários à operacionalidade dosistema robótico podem ser identificados e quantificados.

Amb iente remoto - É o ambiente no qual está localizada uma máquina teleoperada.

Ant ropometria - Avaliação quantitativa dos movimentos realizados por um operador humano.

Atuador - É o componente que converte energia elétrica, hidráulica ou pneumática, em potência

mecânica. Através dos sistemas de transmissão, a potência mecânica gerada pelos atuadores éenviada aos elos para que os mesmos se movimentem.

Aut onomia - É a capacidade de um sistema funcionar adequadamente em seu ambiente sem anecessidade de intervenção humana.

Aut omação – Operação de controle automático de um aparato, processo ou de um sistema por meio de um sistema mecânico ou eletrônico que substitui a observação, esforços e a decisãohumana.

Aut omação flexível - Tipo de automação, que mediante programação, permite realizar tarefasdistintas de acordo com o produto a ser manufaturado.

Aut omação ríg ida - Tipo de automação que permite realizar uma única tarefa, sendo que aexecução de uma nova tarefa implica em ajustes físicos mecânicos e/ou elétricos.

Barramento - Topologia de comunicação na qual um meio físico único interliga váriosdispositivos.

Caminho ("path") - É a curva gerada no volume de trabalho pela extremidade do efetuador durante a realização de uma tarefa.

Carga máxima ("payload") – É a máxima carga que um robô pode manipular satisfatoriamentedurante a sua operação normal.

Cinemática direta – Relaciona-se com a determinação da trajetória do manipulador conhecendo-se os deslocamentos das juntas.

Cinemática inversa – Relaciona-se com a determinação dos deslocamentos das juntas a partir do conhecimento da trajetória do manipulador.

Compressão de imagens - É o método utilizado para reduzir o tamanho físico de uma imagem,de forma a otimizar a sua utilização pelo usuário.

Comunicação multi-ponto - A comunicação de um dispositivo pode ser feita simultaneamentecom diversos outros dispositivos.

Comunicação paralela - Forma de transmissão na qual vários sinais são transmitidos de maneirasimultânea, usando-se vários canais de transmissão.

Comunicação ponto a ponto - Há comunicação direta entre dois dispositivos através de ummeio físico, normalmente de uso dedicado para a interligação, conectando o transmissor aoreceptor.

Comunicação serial - Forma de transmissão onde os sinais são transmitidos serialmente por uma linha única de transmissão.

Desvio ("drift") – É a tendência de um sistema de gradualmente se mover da resposta desejada.

Dinâmica direta – Relaciona-se com a determinação de uma certa trajetória a partir da aplicação

de torques e/ou forças nas juntas.Dinâmica inversa – Relaciona-se a determinação dos torques e/ou forças, exercidas nas juntas,necessárias para que o manipulador percorra uma determinada trajetória e exerça uma forçadesejada.


10/282

Elos – Elementos estruturais geralmente rígidos que conectados entre si através de juntas,formam o manipulador mecânico. São denominados também como corpo ou link.

Efetuador – É o elemento de ligação entre o robô e o meio que o cerca. Pode ser do tipo garra ouferramenta. O principal escopo de uma garra é pegar um determinado objeto, transportá-lo a umaposição pré-estabelecida e após alcançar tal posição, soltá-lo. A ferramenta tem como funçãorealizar uma ação ou trabalho sobre uma peça, sem necessariamente manipulá-la.

Encoder – É um transdutor usado para converter posições lineares e de rotação para dados

digitais.Ferramentas - São efetuadores que têm como função realizar uma ação ou trabalho sobre umapeça, sendo relacionadas principalmente a operações de processamento e controle de qualidade.

Flexibilidade de garra – Capacidade de uma garra para contornar uma determinada parte quepossua formas irregulares e adaptar-se à orientação do objeto manipulado.

Garras – São efetuadores capazes de realizar a preensão de objetos visando operações demovimentação ou manipulação.

Grau de liberdade – É o número mínimo de variáveis independentes de posição que precisamser especificadas para se definir inequivocamente a localização de todas as partes de ummecanismo.

Inteligência artificial - São métodos computacionais que visam desenvolver um nível deraciocínio e inferência em máquinas.

Interfaces de comunicação externas - Permitem a interligação com dispositivos externos aorobô.

Interfaces de comunicação internas - Interconectam dispositivos que são montados ouacoplados diretamente ao hardware de controle.

Junta – Articulação que vincula dois elos adjacentes e permite realizar movimento de rotação outranslação entre estes.

Lógica fuzzy - É a lógica não aristotélica em que um fato pode ser verdadeiro, falso ou meioverdadeiro, utilizada para caracterizar computacionalmente a imprecisão típica dos sereshumanos.

Manipulador – Mecanismo que consiste, normalmente, de uma série de segmentos (corpos) ouelos conectados entre si por juntas rotativas ou prismáticas, sendo o primeiro corpo denominado

base e o último extremidade terminal, onde será vinculado o componente efetuador (garra ouferramenta).

Mapeamento - É a organização dos dados sensoriais em uma forma apropriada para seremutilizados pelo robô móvel para a navegação autônoma no ambiente.

Matriz jacobiana - É um operador que relaciona linearmente as velocidades no espaço de juntasàs velocidades linear e angular no espaço operacional (cartesiano) de um manipulador.

Mesa “JIG” - Equipamento periférico usado para controlar o posicionamento das peças a seremmanipuladas/trabalhadas por robô.

Movimentação contínua - Movimentação do robô através de pontos com pequenos incrementosentre si, armazenados ao longo de uma trajetória previamente percorrida.

Movimentação controlada de trajetória - Movimentação do robô envolvendo o controlecoordenado de todas as juntas para percorrer uma trajetória desejada ao longo de dois pontos.

Movimentação ponto a ponto - Movimentação do robô de uma posição a outra sem considerar otrajeto intermediário entre os pontos.


11/282

Navegação - É a movimentação do robô no ambiente, com base em dados sensoriais,odométricos e de mapas armazenados.

Odometria - É a estimativa com base em modelos cinemáticos da posição e orientação do robôem seu ambiente.

Placa de captura de imagens - É o equipamento que converte a imagem recebida por umacâmera de vídeo em informações adequadas ao uso em computadores.

Planejamento de tarefa - É o método pelo qual um robô realiza a escolha da tarefa a ser

realizada com base nas ordens de um operador humano.Planejamento de trajetória - É o método no qual um robô escolhe a trajetória ótima com base natarefa a ser realizada, definida ou por um operador ou por um sistema de planejamento de tarefas.

Precisão de posição - É a diferença entre a posição programada e a posição real do robô, apósa execução do movimento programado.

Processamento de imagens - É a transformação e obtenção de informações de uma imagempara a utilização em processos de medição, posicionamento ou orientação de dispositivos.

Processamento de sinais - É a transformação de sinais elétricos ou de dados de forma aotimizar ou obter informações para posterior utilização por outros sistemas.

Programação "off-line" - Processo pelo qual a programação dos robôs é desenvolvida, parcialou completamente, sem a necessidade do uso do robô.

Programação "on-line"

- Processo que utiliza métodos de programação por ensino para aplicar um programa de controle no controlador do robô.

Repetitividade - Expressa a capacidade de o robô retornar repetidamente a uma determinadapostura, sob as mesmas condições operacionais.

Resolução – O menor movimento incremental que pode ser produzido por um robô. Serve comouma indicação da acurácia.

Resolver – Aparelho rotativo ou linear que converte movimento mecânico em sinais elétricosanalógicos que representam movimento ou posição.

Robô industrial - Máquina manipuladora com vários graus de liberdade controladaautomaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para utilizaçãoem aplicações de automação industrial (ISO 10218, 1998).

Robô móvel - É um robô que permite movimentação própria sobre o solo, modificando sua

posição em relação a um referencial fixo.Robô de inspeção – Robô destinado a verificar as condições de um sistema como montagens,defeitos, localização de componentes, reconhecimento de peças e etc.

Sensor – Dispositivo que detecta um fenômeno físico e envia informações para um equipamentode controle.

Sensores infravermelhos - São sensores que utilizam luz infravermelha como sinal emitido e lidopara medição de distâncias ou temperatura.

Sensores táteis - São sensores ativados através do toque ou colisão, sendo utilizados em robôscomo sistema de segurança do sistema.

Sensores ultrasônicos - São sensores que utilizam pulsos de som de alta freqüência para medir,através do tempo de viagem da onda, a distância do sensor até um objeto próximo.

Sinais analógicos - São sinais que apresentam valores variando continuamente no tempo.Sinais binários (lógicos ou booleanos) - São caracterizados por apenas dois valores possíveis,sendo usualmente associados à ocorrência de eventos tais como ligado e desligado, verdadeiro efalso, abre/fecha etc.


12/282

Sinais digitais - São sinais que apresentam uma discretização em seus valores de amplitude,sendo caracterizados pela presença de pulsos de amplitude fixa.

Sistemas de transmissão - Componentes mecânicos cuja função é transmitir potência mecânicados atuadores aos elos.

Soldagem robotizada - Soldagem com robô que executa operações de soldagem, apósprogramação, sem ajuste ou controle por parte do operador de solda.

Tacogerador - é um dispositivo acoplado ao eixo do motor que fornece um valor de tensão

analógico proporcional à velocidade angular do eixo do motor Teleoperação - É a metodologia utilizada para controlar dispositivos à distância, usualmenterecebendo informações do ambiente remoto.

Teleoperador - É o equipamento controlado à distância através de um sistema de teleoperação.

Telepresença - É uma forma de teleoperação na qual o usuário, através de dispositivosespeciais, tem a sensação de estar atuando diretamente sobre o ambiente remoto.

Trajetória - É a seqüência no tempo das configurações intermediárias do manipulador entre asconfigurações inicial e final para uma dada tarefa.

Transdutor - Aparelho que converte uma forma de energia em uma outra.

Unidade de controle - Responsável pelo gerenciamento e monitoração dos parâmetrosoperacionais requeridos para realizar as tarefas do robô. Os comandos de movimentação

enviados aos atuadores são originados de controladores de movimento (computador industrial,CLP, placa controladora de passo) e baseados em informações obtidas através de sensores.

Unidade de potência - É responsável pelo fornecimento de potência necessária à movimentaçãodos atuadores.

Pontos singu lares - São os locais geométricos do volume de trabalho onde a matriz jacobiana énão inversível.

Postura - É o conjunto formado pelas três coordenadas cartesianas e pelos três ângulos do pontode medição.

Postura comandada - É a postura especificada através da programação do robô;

Postura atingida - É a postura alcançada em resposta à postura comandada com o robôfuncionando em modo automático.

Volume de trabalho (espaço de trabalho, "workspace") – É o volume gerado pelo somatório dos

posicionamentos possíveis do efetuador, dada uma configuração de robô.

Volume de trabalho efetivo – Corresponde ao volume de trabalho realizado pelo manipulador segundo uma determinada tarefa.

Volume de trabalho global ("dextrous workspace") – É aquele em que o efetuador pode ser descrito em todos os posicionamentos possíveis pela configuração do robô.

Volume de trabalho limite (reachable workspace) – É aquele em que o efetuador do robô édescrito ao menos em uma orientação de forma controlada.


13/282

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO À ROBÓTICA INDUSTRIAL

Vitor Ferreira Romano e Max Suell Dutra

1.1 - INTRODUÇÃO

1.1.1 - Breve Histórico sobre Robôs

Desde os primórdios de sua origem, o ser humano sempre se utilizou de ferramentas eutensílios que o auxiliaram na realização de diversas atividades cotidianas relacionadas às suasnecessidades de sobrevivência.

Para a civilização ocidental o conceito de evolução humana está diretamente associado ao

grau de desenvolvimento tecnológico adquirido ao longo do tempo, através do aperfeiçoamentodestes objetos. Portanto, a motivação de se criar máquinas que possam substituir o homem narealização de tarefas, é uma característica da própria cultura ocidental. A primeira referênciaexplícita a este conceito foi escrita por Aristóteles (séc. IV a.C.): “se os instrumentos pudessemrealizar suas próprias tarefas, obedecendo ou antecipando o desejo de pessoas . . .”

Ao longo dos séculos, diversas invenções propiciaram a necessária bagagem tecnológicapara a gradual substituição do homem pela máquina, porém, somente quando ocorre de formasistemática a aplicação da ciência à indústria há uma concreta alteração do cenário, resultando nasociedade industrial. Já no fim do século XVI, Francis Bacon preconizava a idéia “. . . de que osaber devesse produzir seus frutos na prática, de que a ciência devesse ser aplicável à indústria,de que os homens tivessem o dever sagrado de se organizarem para melhorar e transformar ascondições de vida” (DE MASI, 1999).

A partir da máquina a vapor desenvolvida por James Watt em 1769, houve um acentuadoprogresso em termos de automação de processos produtivos. A produção industrial em largaescala e os meios de transporte revolucionaram social e economicamente as relações humanas.Até meados do século XX, o processo de produção foi baseado no emprego de máquinasprojetadas especificamente para a fabricação em série de produtos de uma mesma característica,visando uma elevada produtividade, volume e qualidade. Este modelo é denominado automaçãorígida e foi bastante difundido pelo empresário Henry Ford no início do século.

O avanço tecnológico das últimas décadas teve reflexo direto na organização das indústrias,as quais buscam minimizar seus custos industriais através da adoção de diversos modelos deprodução. Neste contexto, destacam-se a automação programável, relativa à fabricação em sériede pequenos e médios lotes de produtos, e a automação flexível, referida à fabricação de lotesvariáveis de produtos diversos.

Os robôs industriais têm sido muito utilizados nos processos de automação programável e

flexível, pois são essencialmente máquinas capazes de realizar os mais diversos movimentosprogramados, adaptando-se às necessidades operacionais de determinadas tarefas eempregando garras e/ou ferramentas oportunamente selecionadas.


14/282

O termo robô foi originalmente utilizado em 1921 pelo dramaturgo checo Karen Capek, napeça teatral “Os Robôs Universais de Russum (R.U.R.)” como referência a um autômato queacaba rebelando-se contra o ser humano. Robô deriva da palavra "robota" de origem eslava, quesignifica "trabalho forçado".

Na década de 40, o escritor Isaac Asimov tornou popular o conceito de robô como umamáquina de aparência humana não possuidora de sentimentos, onde seu comportamento seriadefinido a partir de programação feita por seres humanos, de forma a cumprir determinadasregras éticas de conduta. O termo robótica foi criado por Asimov para designar a ciência que se

dedica ao estudo dos robôs e que se fundamenta pela observação de três leis básicas(SCHIAVICCO, SICILIANO, 1995):

1a . Um robô não pode fazer mal a um ser humano e nem consentir, permanecendo inoperante,que um ser humano se exponha a situação de perigo;

2a . Um robô deve obedecer sempre às ordens de seres humanos, exceto em circunstâncias emque estas ordens entrem em conflito com a 1a lei;

3a . Um robô deve proteger a sua própria existência, exceto em circunstâncias que entrem emconflito com a 1a e 2a leis.

A base tecnológica para os atuais robôs industriais foi desenvolvida a partir de pesquisasiniciadas logo após a Segunda Grande Guerra Mundial, quando foi construído um equipamentodenominado teleoperador "master-slave" empregado em atividades de manipulação de materiais

radioativos. O sistema era formado de um manipulador "master", movido diretamente por umoperador humano responsável pelas seqüências de movimentos desejados, e um manipulador"slave" capaz de reproduzir os movimentos realizados remotamente pelo "master". Os vínculosentre os manipuladores "master" e "slave" eram realizados através de sistemas de transmissãomecânicos (FU et al., 1987).

A UNIMATION Inc. instalou o primeiro robô industrial, denominado UNIMATE, no chão-de-fábrica de uma empresa em 1961. O projeto deste robô resultou da combinação entre osmecanismos articulados e garras usados no teleoperador "master-slave" e a tecnologia decontrole desenvolvida em máquinas operatrizes com comando numérico. Desde então, oconstante desenvolvimento tecnológico nas áreas de mecânica, eletrônica digital, ciência dacomputação, materiais e logística da produção contribuiu para o aumento da confiabilidade noscomponentes empregados em projetos de robôs e a redução dos custos para a suaimplementação em atividades industriais.

O maciço investimento em robôs industriais no processo produtivo observado nas últimasdécadas, deve-se principalmente às crescentes necessidades impostas pelo mercado de se obtersistemas de produção cada vez mais automatizados e dinâmicos. Devido às características deflexibilidade de programação e adaptação a sistemas integrados de manufatura, o robô industrialtornou-se um elemento importante neste contexto.

Um sistema de produção tem por objetivo agregar valor a produtos, ou seja, a partir de umaentrada de materiais a serem processados: matérias-primas, peças básicas ou conjuntos depeças (sub-grupos); o sistema de produção irá fazer algum processo de transformação sobreestes materiais, resultando em produtos processados com valor comercial mais elevado. Estespodem ser produtos acabados aptos a serem comercializados diretamente no mercado ou aindaprodutos intermediários que serão utilizados posteriormente na construção de produtos acabados.

O uso de robôs industriais no chão-de-fábrica de uma empresa está diretamente associado

aos objetivos da produção automatizada, a qual visa (BOUTEILLE at al., 1997):• Reduzir custos dos produtos fabricados, através de: diminuição do número de pessoas

envolvidas no produção, aumento da quantidade de produtos em um dado período


15/282

(produtividade), melhor utilização de matéria-prima (redução de perdas, otimização doaproveitamento), economia de energia e etc.;

• Melhorar as condições de trabalho do ser humano, por meio da eliminação de atividadesperigosas ou insalubres de seu contato direto;

• Melhorar a qualidade do produto, através do controle mais racional dos parâmetros deprodução;

• Realizar atividades impossíveis de serem controladas manualmente ou intelectualmente,

como por exemplo, a montagem de peças em miniatura, a coordenação de movimentoscomplexos e atividades muito rápidas (deslocamento de materiais).

1.2 - ASPECTOS SOBRE SISTEMAS ROBÓTICOS

1.2.1 - Definição de Robô

Segundo a Robotic Industries Association (RIA), robô industrial é definido como um"manipulador multifuncional reprogramável projetado para movimentar materiais, partes,ferramentas ou peças especiais, através de diversos movimentos programados, para odesempenho de uma variedade de tarefas” (RIVIN, 1988).

Uma definição mais completa é apresentada pela norma ISO (International Organization forStandardization) 10218, como sendo: "uma máquina manipuladora com vários graus de

liberdade controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa oumóvel para utilização em aplicações de automação industrial".

Um robô industrial é formado pela integração dos seguintes componentes (RIVIN, 1988,SEERING, SCHEINMAN, 1985, WARNECKE et al., 1985, SCIESZKO, 1988, BORODIN, 1988).

a) manipulador mecânico: refere-se principalmente ao aspecto mecânico e estrutural do robô.Consiste da combinação de elementos estruturais rígidos (corpos ou elos) conectados entre siatravés de articulações ( juntas), sendo o primeiro corpo denominado base e o último extremidadeterminal, onde será vinculado o componente efetuador (garra ou ferramenta).

• elos:

É inevitável que os elos rígidos apresentem algum grau de flexibilidade quando submetidos aesforços durante a realização de uma tarefa, sejam estes de natureza estática ou dinâmica.Portanto, nos robôs, a estrutura deve ser projetada para apresentar elevada rigidez aos

esforços de flexão e torção. Os materiais mais empregados nas estruturas são alumínio eaço. Mais recentemente têm sido usados fibras de carbono e de vidro, materiais termo-plásticos e plásticos reforçados.

• junta:

Em robótica geralmente utiliza-se dois tipos básicos de juntas para compor um par cinemáticoformado por dois elos adjacentes: junta de rotação ou junta prismática (translação). O usodestas juntas visa tornar mais simples o processo de montagem e/ou fabricação doscomponentes mecânicos que compõe uma junta. Outra vantagem refere-se ao controle domovimento relativo entre os elos que depende de apenas uma variável de posição.

O número de graus de liberdade que um robô apresenta é o número de variáveisindependentes de posição que precisam ser especificadas para se definir a localização detodas as partes do mecanismo, de forma inequívoca. O robô industrial é normalmente uma

combinação de elos e juntas em forma de cadeia cinemática aberta. Portanto, o número de juntas equivale ao número de graus de liberdade.

• sistema de transmissão:


16/282

A movimentação de cada corpo ocorre devido a transmissão de potência mecânica(torque/força e velocidade angular/linear) originada de um atuador. Os sistemas detransmissão são componentes mecânicos cuja função é transmitir potência mecânica dosatuadores aos elos.

Dentre os componentes de transmissão mais usados tem-se engrenagens (dentes retos,helicoidais, cremalheira e pinhão, cônicas), fusos de esferas recirculantes, correias e poliasdentadas, correntes, cabos, fitas de aço, engrenagens planetárias e engrenagensharmônicas.

A escolha destes componentes depende de parâmetros de projeto como a potênciatransmitida, os tipos de movimentos desejados e a localização do atuador em relação à juntacontrolada. As características mais importantes de desempenho operacional em sistemas detransmissão são a rigidez e a eficiência mecânica.

b) atuadores: São componentes que convertem energia elétrica, hidráulica ou pneumática, empotência mecânica. Através dos sistemas de transmissão a potência mecânica gerada pelosatuadores é enviada aos elos para que os mesmos se movimentem.

• atuadores hidráulicos e pneumáticos:

Os atuadores hidráulicos e pneumáticos podem ter a forma de cilindros lineares para gerar osmovimentos lineares, ou motores para proporcionar deslocamentos angulares. Ambos sãoconectados a válvulas direcionais (pré-atuadores) que gerenciam a direção do deslocamento

do fluido nos atuadores, a partir de sinais gerados de uma unidade de comando. O custo dasválvulas direcionais de alto desempenho ainda permanece elevado.

Os atuadores hidráulicos permitem a implementação de controle contínuo e acurado deposicionamento e velocidade devido a incompressibilidade do fluido (óleo hidráulico),resultando numa elevada rigidez, porém isso pode tornar instável o controle de força. Outracaracterística é a elevada relação entre a potência mecânica transmitida pelo atuador e o seupeso, o que possibilita a construção de unidades compactas de alta potência. Uma bomba éutilizada para fornecer o óleo hidráulico para o atuador hidráulico através das válvulasdirecionais.

Os atuadores pneumáticos são utilizados em robôs industriais que operam commovimentação de cargas entre posições bem definidas limitadas por batentes mecânicos, oque caracteriza o movimento ponto-a-ponto. A baixa rigidez destes atuadores devido àcompressibilidade do fluido (ar comprimido), permite que sejam obtidas operações suaves,porém esta característica o torna pouco preciso quanto ao controle de posicionamento entreas posições limites. A natureza binária do movimento destes atuadores (posição estendida ouretraída) implica em um controle simples e de baixo custo. Utiliza-se um compressor parafornecer o ar comprimido ao atuador pneumático através das válvulas direcionais. Para umcorreto funcionamento dos atuadores, convém a instalação de unidades de preparação (filtro,dreno, regulador de pressão com manômetro e etc.) no circuito de ar comprimido antes daentrada deste nas válvulas direcionais.

• atuadores eletromagnéticos:

Os atuadores eletromagnéticos são os mais utilizados em robôs, principalmente atuadores dotipo motores de corrente contínua e de passo. Como vantagens pode-se citar a grandevariedade de fabricantes disponíveis no mercado, o fato de os motores elétricos quandoassociados a sensores poderem ser empregados tanto para o controle de força quanto da

posição do robô, e a facilidade de se programar seus movimentos, já que estes podem sercontrolados por sinais elétricos, permitindo desta forma a utilização de controladores demovimento.


17/282

Os motores tipo corrente contínua (cc) são compactos e geralmente o valor de torquemantém-se numa faixa constante para grandes variações de velocidade, porém necessitamde sensores de posição angular (encoder) e de velocidade (tacômetro) para o controle deposicionamento em malha fechada (servocontrole). A máxima eficiência mecânica destesmotores normalmente ocorre a velocidades elevadas, portanto é comum o uso de redutoresde velocidade para se obter a redução de velocidade e conseqüentemente o aumento detorque necessários à transmissão de potência mecânica ao elemento movido. Atualmente osfabricantes de robôs utilizam os motores cc sem escovas ("brushless") devido à reduzida

manutenção, decorrente da diminuição de desgastes e otimização da dissipação térmicaentre o rotor e o estator.

Os motores tipo passo podem funcionar em controle de malha aberta em posição evelocidade e são facilmente interligados a unidades de comando de baixo custo, porém acurva de torque decresce com o aumento da velocidade e em baixas velocidades podemgerar vibrações mecânicas. São mais empregados na movimentação de garras.

Os motores de corrente alternada, os motores lineares e atuadores do tipo solenóide têm sidocada vez mais empregados em projetos de manipuladores mecânicos. Recentes pesquisasindicam que os materiais com memória de forma têm bom potencial para serem usados naconstrução de atuadores.

c) sensores: Fornecem parâmetros sobre o comportamento do manipulador, geralmente emtermos de posição e velocidade dos elos em função do tempo, e do modo de interação entre o

robô e o ambiente operativo (força, torque, sistema de visão) à unidade de controle. As juntasutilizadas para vincular os elos de um robô são normalmente acopladas a sensores.

d) unidade de controle: Responsável pelo gerenciamento e monitoração dos parâmetrosoperacionais requeridos para realizar as tarefas do robô. Os comandos de movimentaçãoenviados aos atuadores são originados de controladores de movimento (computador industrial,CLP, placa controladora de passo) e baseados em informações obtidas através de sensores.

Figura 1.1 - Robô industrial de seis graus de liberdade.


18/282

e) unidade de potência: É responsável pelo fornecimento de potência necessária àmovimentação dos atuadores. A bomba hidráulica, o compressor e a fonte elétrica são asunidades de potência associadas aos atuadores hidráulico, pneumático e eletromagnético,respectivamente.

f) efetuador: É o elemento de ligação entre o robô e o meio que o cerca. Pode ser do tipo garra ou ferramenta. O principal escopo de uma garra é pegar um determinado objeto, transportá-lo auma posição pré-estabelecida e após alcançar tal posição, soltá-lo. A ferramenta tem comofunção realizar uma ação ou trabalho sobre uma peça, sem necessariamente manipulá-la.

1.2.2 - Classif icações de Robôs

1.2.2.1 - Quanto à Estrutura Mecânica

Diversas combinações de elementos (juntas e elos) podem ser realizadas para se obter umaconfiguração desejada. De acordo com a Federação Internacional de Robótica ( InternationalFederation of Robotics - IFR), as principais configurações básicas quanto à estrutura mecânicasão as seguintes (IFR, 2000, SCHIAVICCO, SICILIANO, 1995):

a) Robô de Coordenadas Cartesianas/Pórtico (cartesian/gantry robot):

Este tipo de robô possui três juntas prismáticas (PPP), resultando num movimento compostode três translações, cujos eixos de movimento são coincidentes com um sistema de coordenadas

de referência cartesiano. Uma variante deste robô é a configuração tipo pórtico (gantry). O volumede trabalho gerado é retangular.

(a) (b)

Figura 1.2 - Robôs Cartesianos: (a) tipo convencional - volume de trabalho, (b) tipo pórtico.

b) Robô de Coordenadas Cilíndricas (cylindrical robot):

Nesta configuração, os eixos de movimento podem ser descritos no sistema de coordenadasde referência cilíndrica. É formado por duas juntas prismáticas e uma de rotação (PPR),compondo movimentos de duas translações e uma rotação. Neste caso, o volume de trabalhogerado é cilíndrico.


19/282

(a) (b)

Figura 1.3 - Robô de coordenadas Cilíndricas: (a) volume de trabalho, (b) robô.

c) Robô de Coordenadas Esféricas (spherical robot):

Neste tipo de robô os eixos de movimento formam um sistema de coordenadas de referênciapolar, através de uma junta prismática e duas de rotação (PRR), compondo movimentos de umatranslação e duas rotações. Para esta configuração, o volume de trabalho gerado éaproximadamente uma esfera.

(a) (b)

Figura 1.4 - Robô de coordenadas Esféricas: : (a) volume de trabalho, (b) robô.

d) Robô SCARA:

É um robô que apresenta duas juntas de rotação dispostas em paralelo para se termovimento num plano e uma junta prismática perpendicular a este plano (PRR), apresentandoportanto uma translação e duas rotações. O SCARA é muito empregado em tarefas de montagemde componentes de pequenas dimensões, como placas de circuitos eletrônicos. O volume detrabalho gerado por este tipo de robô é aproximadamente cilíndrico.


20/282

(a) (b)

Figura 1.5 - Robô tipo SCARA: (a) volume de trabalho, (b) robô.

e) Robô Articulado ou Antropomórfico (articulated robot):

Nesta configuração, existem ao menos três juntas de rotação. O eixo de movimento da junta

de rotação da base é ortogonal às outras duas juntas de rotação que são simétricas entre si. Estetipo de configuração é o que permite maior mobilidade a robôs. Seu volume de trabalho apresentauma geometria mais complexa em relação as outras configurações.

(a) (b)

Figura 1.6 - Robô Articulado (cortesia ABB): (a) volume de trabalho, (b) robô.

f) Robô Paralelo (parallel robot):

Este robô apresenta configuração tipo plataforma e mecanismos em forma de cadeia

cinemática fechada. O volume de trabalho resultante é aproximadamente semi-esférico.


21/282

(a) (b)

Figura 1.7 - Robô Paralelo (IFR, 2000): (a) esquema, (b) exemplo de robô.

1.2.2.2 - Quanto a geração t ecnológicaOutra classificação (RIVIN, 1988), (ROSEN, 1985), refere-se às gerações tecnológicas

dos robôs industriais. A primeira geração é a dos robôs denominados de seqüência fixa, os quaisuma vez programados podem repetir uma seqüência de operações e para realizar uma operaçãodiferente devem ser reprogramados. O ambiente de interação do robô na fábrica deve estarcompletamente estruturado (parametrizado), pois as operações exigem o posicionamento precisodos objetos a serem trabalhados. A maioria dos robôs industriais em uso pertence a esta geração.

Os robôs de segunda geração possuem recursos computacionais e sensores quepermitem ao robô agir em um ambiente parcialmente estruturado, calculando em tempo real osparâmetros de controle para a realização dos movimentos. Algumas atividades como pegar umapeça que está deslocada de sua posição ideal e reconhecer uma peça a ser manipulada dentreum conjunto de peças variadas, são características desta geração.

A terceira geração de robôs apresenta inteligência suficiente para se conectar comoutros robôs e máquinas, armazenar programas e se comunicar com outros sistemascomputacionais. É capaz, por exemplo, de tomar decisões em operações de montagem, comomontar uma adequada combinação de peças, rejeitar peças defeituosas e selecionar umacombinação correta de tolerâncias. O emprego deste tipo de robô em processos industriais aindaé incipiente.

1.2.2.3 - Quanto à parti cipação de operador humano

O grau de envolvimento do operador humano no processo de controle de um sistemarobótico é determinado pela complexidade que o meio de interação apresenta e pelos recursosdisponíveis para o processamento dos dados necessários à execução das tarefas.

Em ambientes estruturados, onde os parâmetros necessários à operacionalidade do sistemapodem ser identificados e quantificados, é possível estabelecer um sistema de controlecapaz de gerenciar e monitorar as tarefas com a mínima participação de um operador. Neste casoclassifica-se este sistema como robótico.


22/282

A maioria das atividades automatizadas relacionadas às indústrias, como soldagem porpontos ou contínua, fixação de circuitos integrados em placas, pintura de superfícies,movimentação de objetos e montagem de peças, operam em ambientes estruturados.

Já em ambientes não estruturados, devido à dificuldade de serem quantificados determinadosparâmetros de processo ou ao elevado custo para obtê-los dentro de certas especificações, autilização do poder decisório do operador no gerenciamento do sistema de controle torna-sefundamental para a realização das tarefas determinadas. Neste caso, o sistema é classificadocomo teleoperado.

Há diversas aplicações em ambientes não estruturados onde um computador pode processarparte das informações a serem enviadas do ambiente manipulado ao operador humano e vice-versa. Apesar de esta situação ter conceitualmente um operador humano no comandooperacional, observa-se algum grau de autonomia do sistema.

Os sistemas baseados em teleoperação (ver capítulo 11) são normalmente utilizados emmanipulações envolvendo atividades em ambientes não estruturados como mineração,recuperação de satélites, manipulação de materiais radioativos em usinas ou centros depesquisas nucleares, e exploração de petróleo e gás em plataformas marítimas.

1.2.3 - Projeto de Robô

O projeto de um robô é necessariamente interdisciplinar e envolve a utilização de

conhecimentos de várias áreas clássicas como:• Engenharia mecânica: a qual fornece metodologias para o estudo de estruturas e

mecanismos em situações estáticas e dinâmicas;

• Engenharias elétrica e eletrônica: fornecem técnicas para o projeto e integração de sensores,interfaces, atuadores e controladores;

• Teoria de controle: formula e avalia algoritmos ou critérios de inteligência artificial querealizam os movimentos desejados e controlam as interações entre robô e o ambiente; e

• Ciência da computação: propicia ferramentas para a programação de robôs, capacitando-os àrealização das tarefas especificadas.

Neste tipo de projeto deve-se ainda considerar entre outros aspectos:

• dimensionamento de atuadores, mecanismos, circuitos eletrônicos (hardware), unidades de

controle e potência;• cálculos estruturais;

• fabricação e montagem de peças de precisão;

• seleção de materiais;

• planificação dos movimentos;

• simulação e modelagem;

• desenvolvimento de técnicas de programação para o sistema de controle,sistema operacional, diagnose de sistemas/componentes e comunicação ao operador; e

• testes de desempenho.

Os robôs são máquinas de programação flexível projetadas para operar em diversas situações,logo, as especificações de operação fornecidas pelo fabricante são de caráter geral e relacionam-

se a: volume de trabalho, capacidade de carga, velocidade máxima, precisão e repetibilidade.Com a implementação de um sistema robótico em uma fábrica, devem ainda ser analisados

aspectos relacionados às áreas econômica e social, como: análise de custos e benefícios,


23/282

mudanças organizacionais na estrutura da empresa e investimentos diretos e indiretos naprodução, redução do número de empregados e remanejamentos.

1.3 - EFETUADORES

Os fabricantes de robôs especificam nos catálogos as informações relativas às característicasdimensionais e de desempenho dos robôs, como acurácia, repetibilidade, carga máxima demanipulação, número de graus de liberdade, volume de trabalho e etc. Estes dados fornecem ao

usuário subsídios suficientes para que se tenha uma ordem de grandeza das condiçõesoperacionais de um determinado robô.

As informações indicadas nos catálogos relacionam-se essencialmente à extremidadeterminal do manipulador mecânico, ou seja, ao último elo. Portanto, torna-se necessária a inclusãode um componente capaz de promover a interação entre a extremidade terminal do manipuladormecânico e o objeto a ser trabalhado. Este componente é o efetuador.

Os efetuadores podem ser divididos em dois grandes tipos: as ferramentas especiais e asgarras mecânicas. As ferramentas têm como função realizar uma ação ou trabalho sobre umapeça, sendo relacionadas principalmente a operações de processamento e controle de qualidade.

Enquanto as ferramentas especiais realizam trabalho, durante a sua movimentação ouquando já posicionadas pelo manipulador, as garras mecânicas são associadas a preensão(agarramento) de objetos visando operações de movimentação ou manipulação. O principal

escopo de uma garra é pegar um determinado objeto, transportá-lo a uma posição pré-estabelecida e após alcançar tal posição, soltá-lo (TANIE, 1985).

Os efetuadores usados em robótica são padronizados de tal forma a permitir uma vinculaçãofácil à extremidade terminal do robô industrial e geralmente podem ser controlados pela mesmaunidade de controle do robô, através de interfaces apropriadas.

1.3.1 - Ferramentas Especiais

As ferramentas são geralmente rigidamente fixas às extremidades terminais dos robôs, nãopossuindo movimentação relativa a estes. A função primordial do robô nestes casos é posicionare orientar a ferramenta em relação à peça que será trabalhada.

O uso de ferramentas está associado diretamente às tarefas a serem realizadas. Dentre as

ferramentas mais tradicionais utilizadas em operações de processamento estão: o porta-eletrodo,a pistola de aspersão (para pó, jateamento de superfícies e etc.), a pistola de pintura, as tochaspara soldagem TIG e MIG/MAG, o dispositivo para soldagem/corte à plasma, o conjunto de pinçaspara soldagem por pontos, o dispositivo para soldagem/corte à laser, o porta-esmeriladora, omaçarico para corte oxiacetilênico, a pistola para limpeza por jato d'água, a pistola para corte por

jato d'água e etc.

1.3.2 - Garras Mecânicas

1.3.2.1 - Analog ias com a Mão Humana

SALISBURY e CRAIG (1982) após pesquisarem cerca de seiscentas configurações diferentesde garras chegaram a conclusão que, em termos cinemáticos, uma garra na configuração de mão

humana é a que possui maior versatilidade para realizar a manipulação de objetos dos maisvariados tipos e inclusive formas irregulares, sendo capaz de exercer apenas a força estritamentenecessária para que estes objetos sejam seguros com estabilidade e com segurança.


24/282

Para efeito de comparação, observa-se que uma garra com dois dedos pode manipular comsucesso aproximadamente 40% dos objetos das mais diferentes formas. Uma garra com trêsdedos poderia manipular 90% de todos objetos, e uma na configuração com quatro dedos poderiamanipular em torno de 99% destes objetos (MATSUOKA, 1995).

Embora uma garra com a configuração de mão humana possa apresentar elevadaversatilidade em função de seus muitos graus de liberdade, sua utilização em robôs industriaisnão é conveniente devido a sua complexidade de construção e controle.

O número grande de juntas neste tipo de garra permite adaptá-la a muitas formas diferentesde objetos a serem manipulados, permitindo a preensão de um maior número de formas deobjetos que as garras convencionais. Porém, a programação torna-se extremamente complexa. Amanipulação eficiente de garras com múltiplos dedos, que cooperam entre si, requer um sistemade controle mais sofisticado contendo retroalimentação de sinais provenientes de sensores de tato(força, ótico, estensômetros e etc.) e planejamento de trajetórias.

Quando se utiliza uma garra com apenas dois dedos (forquilha), a falta de versatilidade demanipulação ou destreza (dexterity) exige que o programador modele com grande precisão osobjetos a serem seguros ou manipulados. Nos projetos deste tipo de garra, normalmente seconsidera que os modelos dos objetos que estão sendo manipulados estão disponíveis ou podemser facilmente obtidos. Quando se deseja que o manipulador opere em ambientes desconhecidosde trabalho ou que ele manipule uma maior variedade de objetos com diferentes formas, estamodelagem é difícil de ser empregada. Já uma garra na configuração de mão humana com maior

número de graus de liberdade (sistema redundante) pode-se adequar a incertezas do modelosimplesmente, por exemplo, pela retroalimentação dos sensores de tato. O maior desafio émanter a controlabilidade do sistema redundante devido aos vários graus de liberdade.

Basicamente existem dois modos estáveis de se promover a preensão de um objeto atravésde garras: a preensão com precisão e a preensão com segurança (TANIE, 1985). O modo comprecisão é na maioria das vezes realizado utilizando-se principalmente as pontas dos dedos,como por exemplo no trabalho manual realizado por uma costureira através da agulha e fio. Nomodo com segurança existe o contato do objeto com os dedos e a palma da mão, como porexemplo um tenista segurando a sua raquete.

O estudo da mão humana sob o ponto de vista cinemático requer uma análise tanto doesqueleto quanto dos ligamentos. A mão pode ser considerada como um sistema formado porossos (elos), ligamentos (juntas) e músculos (atuadores). Estes elementos formam os dedos e a

palma e permitem a realização de movimento entre os elos. As juntas são tencionadas pelosligamentos, tendões e músculos. O movimento nas junta é obtido pela força dos músculos e érestringido pelos músculos e articulações dos ossos.

A mão é formada por vinte e sete ossos, mais de vinte articulações e a sua ação envolve ouso de trinta e três músculos diferentes. Formada por cinco dedos, ela possui capacidade deexecutar inúmeros movimentos, que podem ser divididos em dois grupos fundamentais:movimentos com preensão e movimento sem preensão, nos quais o objeto é manipuladomediante impulsão ou levantamento.

Os tipos básicos de preensão de diferentes objetos podem ser vistos na figura 1.8. Destafigura pode-se notar as vantagens da utilização de uma mão com cinco dedos. Os tipos básicosde preensão são denominados: cilíndrico, ponta de dedo, gancho, palmar, esférico e lateral(ISO/DIS, 1998).


25/282

Figura 1.8 – Seis tipos básicos de preensão de uma mão humana (TANIE, 1985).

1.3.2.2 - Formas de Preensão

Além da divisão por números de dedos, deve-se observar a forma de preensão. Nosdesenhos esquemáticos da figura 1.9, pode-se notar as preensões internas e externas dediversas garras (ISO/DIS, 1998).

Além destes fatores, diversos outros devem ser considerados tanto para a especificação e

seleção quanto para o projeto das garras mecânicas ou das ferramentas específicas. Dentre estesfatores podem ser citados: forma, peso, material e rigidez do objeto a ser manipulado, velocidadee aceleração do manipulador durante a realização da tarefa, estabilidade do agarramento,ambiente de trabalho, etc.

Figura 1.9 – Preensões típicas de diversos tipos de garras (ISO/DIS 14539, 1998).

1.3.2.3 - Tipos de Garras Indus triais


26/282

Enquanto nos centros de pesquisas de todo o mundo procura-se projetar garras mecânicastão complexas como as dos seres humanos, nas indústrias as garras são, na sua grande maioria,compostas de apenas dois ou três dedos e uma junta de rotação em cada dedo. Entre as figuras1.10 e 1.13 são apresentadas algumas garras utilizadas na indústria.

(a) (b)

(c)

Figura 1.10 – Garra com dois dedos intercambiáveis (cortesia Shunk GmbH.).

Em alguns casos deseja-se que a garra possua capacidade de exercer força e exibir umadestreza que só pode ser conseguida com dedos especiais. Na figura 1.11 pode-se observar umtipo de garra com esta característica, onde os dedos, quando sob pressão interna de algum fluidoexerce a força diretamente sobre o objeto manipulado.


27/282

Figura 1.11 – Garra com Dedos Flexíveis (Cortesia Sommer GmbH).

Mesmo com esta capacidade, existem objetos que para serem manipulados com segurançanecessitam de garras com pelo menos três dedos. Um exemplo clássico deste tipo é o dapreensão de esferas ou peças com superfície cilíndrica. Um exemplo deste tipo de garra pode ser

visto na figura 1.12.

Figura 1.12 – Garra Mecânica com três dedos (cortesia Shunk GmbH.).

Garras pneumáticas são muito empregadas para a movimentação de objetos com superfícieplana e massa reduzida, como chapas metálicas, caixas e etc.


28/282

(a) (b)

Figura 1.13 - (a) Ventosas; (b) Garra pneumática (cortesia Shunk GmbH.).

1.3.3 - Especificação de uma Garra

Como os efetuadores do tipo garra mecânica entrarão em contato direto com o objeto a sermanipulado, diversos fatores devem ser considerados no momento de sua especificação para ouso em robôs ou durante a fase de projeto de efetuadores.

Segundo a norma ISO/DIS 14539 (1998), os principais itens são:

• Geometria dos dedos e da palma;

• Posicionamento dos dedos na palma;

• Forma dos dedos e seus movimentos durante o agarramento;

• Número e posicionamento dos atuadores;

• Número e posicionamento dos sensores;

• Mecanismos de transmissão da potência;

• Mecanismo de fixação efetuador / manipulador;

• Tipo e força de agarramento;

• Tempo de operação (de agarramento, tempo do ciclo);

• Tipo de sistema de controle empregado (força e/ou posição);• Número e material dos dedos;

• Número de graus de liberdade dos dedos;

• Geometria, peso, temperatura máxima e mínima, propriedades magnéticas e característicasda superfície do objeto a ser manipulado.

1.4 - APLICAÇÕES DE ROBÔS INDUSTRIAIS

1.4.1 - Generalidades

A própria definição de robô industrial como sendo um "manipulador multifuncionalreprogramável projetado para movimentar materiais, partes, ferramentas ou peças especiais,

através de diversos movimentos programados, para o desempenho de uma variedade de tarefas", já fornece uma idéia das variadas aplicações que podem ser realizadas com este equipamento.


29/282

Conforme mencionado anteriormente, as características operacionais de um robô industrial,dependem essencialmente de sua configuração, das indicações de desempenho indicadas noscatálogos dos fabricantes e das tarefas planejadas a serem realizadas.

Para cada tarefa, geralmente faz-se uso de diferentes efetuadores, os quais são selecionadosespecificamente para promover a correta interação entre a extremidade terminal do manipuladormecânico e o objeto a ser trabalhado.

Os principais fabricantes de robôs industriais oferecem aos usuários diferentes configurações

de manipuladores. Entretanto, alguns fabricantes se especializaram em produzir determinadostipos de robôs para aplicações específicas, obtendo desta forma melhores desempenhosoperacionais.

Dentre as mais importantes empresas que fabricam robôs industriais encontram-se: ABBRobotics AB, Adept Technologies Inc., Brown & Shape, COMAU SPA, FANUC LTD, KawasakiRobotics Inc., KUKA Roboter GmbH, Motoman Inc., Stäubli AG e Sony Co.

Uma das aplicações mais comuns de robôs industriais é a soldagem. Aproximadamente 25%dos robôs são empregados em diferentes aplicações de soldagem.

A montagem de componentes corresponde a cerca de 33% das aplicações de robôs (1997).Muitos destes são empregados pelas indústrias automobilísticas e de eletrônica.

Processos de empacotamento e paletização ainda permanecem com pequenos índices deaplicação com robôs, contribuindo com 2,8% do número total (1997). Esta área de aplicação deve

crescer em função do aumento da capacidade de manipulação dos robôs.A indústria alimentícia é uma área que deve contribuir consideravelmente no futuro com a

aplicação de robôs industriais (IFR, 2000).

A maioria das atividades relacionadas a robôs industriais em processos de produçãoenvolvem operações de movimentação, processamento e controle de qualidade. A seguir sãoapresentadas algumas destas atividades.

• Movimentação:

- movimentação de peças entre posições definidas;

- transporte de peças entre esteira transportadora e máquinas operatrizes;

- carregamento e descarregamento de peças em máquinas operatrizes;

- carregamento e descarregamento de peças em magazines;

- paletização.• Processamento:

- soldagem por resistência elétrica (pontos) ou a arco (contínua);

- fixação de circuitos integrados em placas;

- pintura e envernizamento de superfícies;

- montagem de peças;

- acabamento superficial;

- limpeza através de jato d'água e abrasivos;

- corte através de processos por plasma, laser, oxi-corte ou jato d'água;

- fixação de partes com parafusos, deposição de cola, rebites;

- empacotamento.• Controle de qualidade:

- inspeção por visão;


30/282

- verificação dimensional de peças através de sensores.

1.4.2 - Aplicação de Robôs no Brasil

A população mundial instalada de robôs de seis eixos é estimada em 790.000 unidades(1999), sendo no Brasil em torno de 4500 unidades. Portanto, o Brasil contribui comaproximadamente 0,6% do número total de robôs industriais instalados no mundo.

As indústrias ligadas ao setor automobilístico, como montadoras e fornecedoras de auto-peças são as maiores usuárias de robôs industriais no país. Cerca de 900 unidades (20% do total)foram empregadas em pequenas e médias indústrias.

A figura 1.14 apresenta um gráfico do histórico da evolução do número de robôsindustriais de seis eixos no Brasil. Observa-se que houve um acréscimo de 900% no número derobôs nos últimos cinco anos e a tendência é de crescimento (ROMANO, 2000).

Figura 1.14 - Evolução histórica do número de robôs industriais de seis eixos no Brasil.

A empresa ABB Robotics AB é a líder no mercado brasileiro com 33% das vendas. Natabela 1.1 pode-se observar a distribuição de robôs industriais de seis eixos por aplicaçãoindustrial desta empresa no mercado brasileiro.

Tabela 1.1 - Distribuição percentual de robôs ABB no Brasil.

Aplicação Indust rial Percentual

Soldagem por pontos 33 %

Movimentação / paletização 25%

Soldagem por arco 18 %

Pintura 10 %

Outros (montagem, acabamento, corte por jato-d'água, oxi-corte) 14 %

Nas figuras a seguir são apresentados alguns exemplos de aplicação de robôs industriais noBrasil.

0

1000

2000

3000

4000

5000

1995 1996 1997 1998 2000 *

Robôs


31/282

Figura 1.15 - Pintura de carroceria de caminhão (cortesia Scania Latin America Ltda.).

Figura 1.16 - Soldagem na fabricação de assentos (cortesia Marcopolo Ltda.).

Figura 1.17 - Manutenção de turbinas de aeronaves (cortesia Viação Aérea São Paulo)


32/282

1.5 - REFERÊNCIAS

BORODIN, N., Machine Design, 1 ed., MIR Publishers, Moscow,1988.

BOUTEILLE, D., BOUTEILLE, N., CHANTREUIL,S., at al., Les Automatismes Programables,Cépaduès-éditions, 2 ed., Toulouse, 1997.

CRAIG, J., Introduction to Robotics: Mechanics & Control, Addison-Wesley Publishing Co., 1 ed.,Massachusetts, 1986.

CUTKOSKY, M. R., "On Grasp Choice, Grasp Models, and the Design of Hands for Manufacturing

Tasks", IEEE Trasactions on Robotics and Automation, v. 5, n.3, pp. 269-279 ,1989.

DE MASI, D., A Sociedade Pós-Industrial, Editora SENAI, 2 ed., São Paulo, 1999.

DUTRA, M. S., Projeto, Construção, Modelagem Matemática e Testes Experimentais de umaGarra Mecânica com Quatro Dedos, Tese de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, 1990.

FU, K.S., GONZALES, R.C., LEE, C.S.G., Robotics - Control, Sensing, Vision and Intelligence,McGraw-Hill Book Inc., International Edition, 1 ed., New York, 1987.

GILBERTSON, R. G., Muscle Wires – Project Book, 3 ed., Mondotronics Inc., California, 1994.

HIMENO, S. , TSUMURA, H., "The locomotive and control mechanism of the human finger and itsapplications to robotics", In: Proceedings of the ’83 International Conference on AdvancedRobotics, pp. 261-269, 1983.

IFR – International Federation of Robotics, http://www.ifr.org, 2000.

ISO 10218 - Manipulating Industrial Robots - Safety, ISO Publications, France, 1992.

ISO/DIS 14539 - Manipulating Industrial Robots: Vocabulary of object handling with end effectorsand of characteristics of grasp-type grippers, ISO Publications, France, 1998.

TANIE, K., "Design of Robot Hands". In: Nof, S. Y. (ed), Handbook of Industrial Robotics, 1 ed.,chapter 8, New York, John Wiley & Sons, 1985.

MATSUOKA, Y., Embodiment and Manipulation Learning Process for a Humanoid Hand, M.Sc.Dissertation, Massachussets Institute of Technology, USA, 1995.

PHAN, D. T., HEGINBOTHAM, W. B., Robot Grippers, IFS (Publications) Ltd., EUA, 1986.

RIVIN, E., Mechanical Design of Robots, 1 ed., McGraw-Hill Inc., New York, 1988.

ROMANO, V.F., "Automação e Robótica", In: Notas de Aula curso de graduação em EngenhariaMecânica EE-UFRJ, Rio de Janeiro, 1994.

ROMANO, V.F., "Brazilian Investments and Applications in Robotics". In: Preprints of theWorkshop on Integration In Manufacturing & Beyond - IIMB' 2000 , p.4, Bordeaux, France, Sept.2000.

ROSEN, C.A., "Robots and Machine Intelligence". In: Nof, S. Y. (ed), Handbook of IndustrialRobotics, 1 ed., chapter 3, New York, John Wiley & Sons, 1985.

SALISBURY, J. K.; CRAIG, J. J., "Articulated Hands: Force Control and Kinematic Issue",International Journal of Robotics Research, v.1, n. 1, pp.4-17, USA, 1982.

SCHIAVICCO, L., SICILIANO, B., Robotica Industriale - Modellistica e Controllo di Manipolatori, 1ed., McGraw-Hill Inc., Milano, 1995.

SCIESZKO, J.L., "Projeto de Robôs", In: Notas de aula curso de graduação em EngenhariaMecânica EE-UFRJ, Rio de Janeiro, 1988.

SEERING, W. P., SCHEINMAN, V., "Mechanical Design of an Industrial Robot". In: Nof, S. Y. (ed),Handbook of Industrial Robotics, 1 ed., chapter 4, New York, John Wiley & Sons, 1985.


33/282

WARNECKE, H. J., SCHRAFT, R. D., WANNER M. C., "Mechanical Design of Robot System". In:Nof, S. Y. (ed), Handbook of Industrial Robotics, 1 ed., chapter 5, New York, John Wiley & Sons,1985.


34/282

CAPÍTULO 2

MODELAGEM E CONTROLE DE ROBÔS

João Maurício Rosário

2.1 - INTRODUÇÃO

Um robô industrial pode ser definido como um sistema mecânico articulado que tem comoobjetivo principal executar operações pré-definidas. Isto é realizado através de um Supervisor deControle que deverá especificar o que o manipulador deverá fazer para que o mesmo possarealizar as tarefas especificadas. Normalmente ele é constituído de seis graus de liberdade, e oposicionamento de sua ferramenta de trabalho é especificado através do controle de modoapropriado de suas variáveis articulares ou de juntas.

Desta maneira, sua trajetória é definida através de um conjunto de ângulos/translações

associados ao movimento angular/linear de cada grau de liberdade do robô, que após algoritmode interpolação, servirão como sinal de referência para o controlador de posição de cada juntarobótica que realizará uma comparação com os sinais provenientes dos transdutores de posiçãodas juntas.

Diversas aplicações industriais, exigem que o robô trabalhe de acordo com a posição eorientação do seu elemento terminal em relação ao sistema de coordenadas de trabalho, comopor exemplo, um robô trabalhando em conjunto com uma máquina de comando numérico, numacélula automatizada com outros robôs, ou ainda quando o mesmo é dotado de um sistema devisão. Neste último caso, a interpretação das imagens se efetuará em relação ao sistema de

coordenadas de trabalho (em duas ou três dimensões), e as informações extraídas das mesmasserão transmitidas ao Sistema de Supervisão após tratamento apropriado.

O Supervisor de Controle, ou unidade de controle, é responsável pela geração dos sinais dereferência individuais ao longo do tempo, para cada junta do robô. Através de uma malha decontrole de posição independente para cada junta, estes sinais são comparados com os valoresatuais (obtidos através dos sensores de posição articulares), que faz com que a configuração deum robô seja controlada a partir de um valor desejado, independente do movimento desejado e dacarga transportada pelo robô.

Entretanto, os valores das variáveis articulares utilizados como sinal de referência na malha

de controle de pos ição das juntas quando comparados com os valores das juntas podem traduzirnum erro, que aumenta com a sua velocidade de operação. Conseqüentemente, a implementaçãode um controlador de posição para um robô industrial exige o conhecimento da precisãocinemática do movimento do manipulador.

Para estabelecermos estratégias de controle de posição de juntas robóticas eficientes eprecisas (erro próximo de zero), o movimento do robô é descrito através de equações diferenciais

f


35/282

Neste capitulo serão abordados aspectos conceituais que envolvem a modelagem e controlede robôs industriais, proporcionando ao leitor uma formação básica dos principais conceitosmatemáticos necessários para utilização de um supervisor de controle de um robô industrial.

2.2 - MODELAGEM CINEMÁTICA DE MANIPULADORES

2.2.1 - Descrição de um Robô Industrial

Um manipulador mecânico consiste de elos, conectados por juntas prismáticas ourotacionais. Cada par junta-elo constitui um grau de liberdade. Assim, para um manipulador com Ngraus de liberdade, temos N pares juntas-elos, onde o primeiro elo é a base de sustentação dorobô (sistema de coordenadas inerciais fixado) e no seu último elo é incorporada a sua ferramentade trabalho.

O conhecimento completo das variáveis articulares de um robô θi, determina o

posicionamento de sua ferramenta no sistema de coordenadas de trabalho. De um modo geral, ostrês primeiros graus de liberdade de um robô são responsáveis pelo posicionamento de suaferramenta no espaço de tarefas e os restantes pela sua orientação.

A figura 1.1 apresentada no primeiro capítulo mostra as juntas e elos de um robô industrial. Assim a primeira conexão ocorre entre o primeiro elo e o suporte de base, e o último elo representa o ponto de conexão entre o sexto grau de liberdade e a ferramenta.

Na maioria das aplicações industriais, a programação de tarefas de robôs, é realizada poraprendizagem, consistindo no movimento individual de cada junta. Assim sendo, a programaçãode trajetórias de um robô torna-se muito fácil, não necessitando de um conhecimento do modelo,

sendo a fase de aprendizagem basicamente uma operação de armazenamento de uma seqüênciade incrementos necessários para que o conjunto de variáveis articulares determine umposicionamento final Xi, especificado a partir de um perfil de trajetórias fornecido (robô controladoa partir do sistema de coordenadas de juntas).

Como um robô é controlado através de suas variáveis articulares, a realização do controle deposição em relação ao sistema de coordenadas cartesianas implicará no desenvolvimento demetodologias para transformação de coordenadas. A transformação de coordenadas articularespara cartesianas é normalmente realizada em tempo real, onde a partir do conjunto de variáveisarticulares serão obtidas a posição e orientação de sua ferramenta.

2.2.2 - Sistemas de Referência

Um Sistema Articular pode ser representado matematicamente através de n corpos móveisCi (i = 1, 2,..., n) e de um corpo C 0 fixo, interligados por n articulações, formando uma estrutura decadeia.

Para representar a situação relativa dos vários corpos da cadeia, é fixado a cada elementoCi um referencial R. Podemos relacionar um determinado referencial R i+1 (oi+1, xi+1, yi+1, zi+1) com oseu anterior Ri (oi, xi, yi, zi), como também o sistema de coordenadas de origem da base (figura

2.2) através da equação 2.1, onde Ai,i+1 representa as matrizes de transformação homogênea derotação e Li o vetor de translação de uma origem a outra, onde Ai, i+1 é resultante do produtomatricial global entre as diversas matrizes de transformações homogêneas relacionadas comrotações ou translações sucessivas das diferentes articulações (equação 2.2).

o o A Li i i i i+ += +1 1, * (2.1)


36/282

A

Nx Sx Ax

Ny Sy Ay

Nz Sz Azi i

o o o

o o o

o o o

,+ =

1

Figur a 2.1 - Sistema de Referência utilizado.

Qualquer rotação no espaço pode ser decomposta em um grupo de rotações elementares aolongo dos eixos X, Y e Z. A matriz de rotação elementar usada na equação de transformação éassociada com a rotação elementar do referencial correspondente em relação ao seu anterior.Este procedimento matemático pode ser estendido para toda extensão do modelo. Assim sendo, amatriz de orientação de um ponto de interesse pode ser obtida pela equação 2.2.

Conseqüentemente o posicionamento completo de um corpo rígido no espaço, poderá serfacilmente obtido através da equação 2.1 que fornece o seu vetor posição, sendo que a equação2.3 representa a matriz de orientação associada, podendo ser expressa através de componentesangulares associadas às três direções de rotação correspondentes aos eixos de referência do

sistema de coordenadas (pôr exemplo, Roll, Pitch, Yaw - RPY ou quartenions).

2.2.3 - Transformação de coordenadas

Nas diversas aplicações industriais, um robô pode ser controlado e programado a partir dosistema de coordenadas associadas a sua ferramenta. É muito mais natural expressarmos odeslocamento absoluto do elemento terminal de um robô que considerarmos a variação de suascoordenadas articulares, embora a malha de controle de uma junta robótica seja estabelecida apartir da comparação de grandezas articulares, tornando-se necessário a realização de umatransformação geométrica apropriada para o estabelecimento da correspondência entre as

variáveis articulares θi e as coordenadas absolutas do elemento terminal Xi. A figura 2.2 apresentaum esquema descrevendo o

robótica industrial livro legal

Documents