Unia - Anhanguera

Sistemas Robotizados

Prof. Ms. Décio Colaneri

Aula 2 17/ago/2010

Histórico

A palavra Robô vem da palavra de origem theca Robota, que significa trabalho forçado, trabalho escravo.

Foi apresentada com o significado atual pela primeira vez em 1920, na peça de teatro de Karel Capek (escritor tcheco, 1890-1938): “R.U.R. – Robôs Universais de Rossum (Rossum’s Universal Robots)”.

Karel Capek aceitou a sugestão de seu irmão mais velho, Josef Capek (pintor cubista e também escritor, morto pelos nazistas em 1945, no campo de concentração Terezin), para denominar os seus “trabalhadores artificiais”.

Nesta peça de teatro, o cientista Rossum desenvolve uma substância, a partir da qual, ele constrói seus trabalhadores artificiais: os seus robôs.

Com seguidos aperfeiçoamentos, ele chega a construir um ser perfeito. A partir daí, os seus robôs se rebelam contra os seus criadores e senhores, e tentam aniquilar com a raça humana.

Observe a figura anterior, onde aparece um destes robôs em uma adaptação da peça de Karel Capek de 1930.

Histórico

E ao falarmos em robótica e ficção científica, devemos nos lembrar do russo Isaac Asimov (1902-1992), que emigrou para os Estados Unidos aos três anos de idade.

Químico de formação, possui extensa obra literária publicada. Recebeu prêmios relativos à ficção científica por várias vezes. Foi o primeiro a utilizar o termo “robótica” para tratar da ciência que estuda os robôs, termo que também adotou, a partir da peça de teatro de Karel Capek.

Histórico

Na sua obra se destacam os inúmeros contos sobre robôs, onde apresentou as suas Três Leis da Robótica, que foram, posteriormente, ampliadas para quatro, por um robô, em um de seus contos.

Estas leis passaram a ser adotadas quase que universalmente, se tomando praticamente obrigatórias sempre que o assunto é sobre robôs ou sobre robótica.

Histórico

Lei Zero (criada posteriormente, por um robô que a intuiu no romance “Os Robôs e o Império”): Um robô não pode causar mal a humanidade ou, por omissão, permitir que a humanidade sofra algum mal, nem permitir que ela própria o faça;

Primeira Lei: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal;

Segunda Lei: Um robô deve obedecer às ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos que em tais ordens contrariem a Primeira Lei;

Terceira Lei: Um robô deve proteger sua própria existência, desde que tal proteção entre em conflito com a Primeira e com a Segunda Leis.

Histórico

Dentre os livros de contos de Isaac Asimov se destaca o livro Eu, Robô, publicado pela primeira vez em 1950, reunindo diversos contos sobre robôs, publicados na década anterior.

O filme Eu, Robô não é baseado em nenhum dos contos do livro, mas inspirado na linha desenvolvida por Isaac Asimov em seu trabalho.

Os roteiristas Jeff Vintar e Akiova Goldsman basicamente utilizam as Três Leis da Robótica para desenvolverem um enredo próprio.

Histórico

1926 – Elektro e Sparko no filme alemão Metrópolis. 1940 – Oak Ridge e Argonne National Labs: manipuladores

mecânicos remotos para materiais radioativos. 1950 – Handyman (General Electric) e Minotaur (General

Mills) com atuação elétrica e pneumática. 1954 – George C. Devol: manipulador cuja operação podia

ser programada (programmed articulated transfer device). 1959 – George C. Devol e Joseph F. Engelberger: introdução

do primeiro robô industrial, Unimate da Unimation Inc.

Histórico

1962 – H. A. Ernst: MH 1 mão mecânica com sensores táteis, controlada por computador.

1968 – Shakey: robô móvel desenvolvido no SRI (Stanford Research Institute).

1973 – WAV: primeira linguagem de programação para robôs (SRI).

1978 – PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly).

1987 – Subsumption Architectures – Rodney Brooks (MIT). 2001 – Robô humanóide da Honda: capacidade de

locomoção, visão, olfato, tato e voz.

Histórico

Robôs Industriais

De uma forma geral o conceito atual de robótica industrial passa pela particularização de um ramo do conhecimento tecnológico denominado mecatrônica, o qual trata simultaneamente de aspectos relativos à:

mecânica,

eletrônica,

controle e processamento de informações em máquinas e

instrumentos genéricos.

Definição de Robô Manipulador

Robot Institute of America - RIA

Um robô industrial é um manipulador re-programável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos varáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas.

Definição de Robô Manipulador

Mikell Groover

Um robô industrial é uma máquina multi-aplicação e programável possuindo certas características antropomórficas.

Dicionário Webster

Um robô é um dispositivo automático que efetua a função normalmente atribuída a homens ou a máquinas na forma de um homem.

Robôs Industriais

Partindo desta definição, é possível associar um robô industrial ao tipo de máquina aplicada na automação flexível, sendo constituída basicamente por elementos (ou elos) mecânicos acionados por atuadores a partir de um controlador que opera baseado em informações de movimentos programados e de sinais gerados por elementos sensores de realimentação. Tais elos permitem um correto posicionamento e orientação da peça ou ferramenta destinada para a tarefa.

Robôs Industriais

As últimas três décadas foram preponderantes no desenvolvimento de tecnologias que se refletem nos atuais robôs manipuladores industriais. Uma revisão dos últimos 25 anos mostra que os seguintes avanços tecnológicos que foram agregados à robótica:

’74: Acionamentos elétricos eficazes

’74: Controle microprocessado

’82: Interpolações cartesianas

’82: Comunicação via computador

’82: Uso de joystick

Robôs Industriais

’82: Programação por menus

’84: Sistema de visão

’86: Controle digital

’86: Acionamentos em CA

’90: Interconexão em redes

’91: Controle digital de torque

’94: Modelo Dinâmico Completo

’94: Interface Windows

’94: Simulação em robôs virtuais

’94: Uso de fieldbus

Robôs Industriais

’96: Cooperação entre robôs

’98: Sistemas de detecção de colisões

’98: Identificação de objetos

’98: Movimentação em alta velocidade

’00: Incorporação de sistemas inteligentes

Quando Utilizamos os Robôs?

Os primeiros robôs industriais começaram a ser comercializados e utilizados com o objetivo de se substituir o ser humano em tarefas em que ele, o ser humano, não poderia realizar, por causa de suas próprias limitações físicas, ou por envolverem condições desagradáveis ou extremas, tipicamente contendo: Calor excessivo, Ruído elevado e constante, Gases tóxicos e ou poeira, Risco de contaminação química ou radioativa, Esforço físico extremo e continuado, Processos sem interrupção, longos e contínuos Tarefas que exigem vários movimentos simultâneos, Operações que requerem grande precisão na sua execução, Necessidade de uniformidade na sua execução, Trabalhos monótonos, repetitivos, “chatos”, Risco de morte.

Robôs Industriais

Diversas capacidades de controle lógico de entrada e saída têm sido acrescentadas nos recentes robôs. A fronteira tecnológica dos atuais manipuladores pode ser melhor visualizada através da tabela dada a seguir:

Repetibilidade Até 0.003 mm (0.1mm usualmente)

Velocidade Até 5 m/s

Aceleração Até 25 m/s2

Carga admissível A partir de 2 a 3 kg até limites ~ 350kg

Relação Peso/Carga Em torno de 30 a 40

Número de eixos 6

Comunicação Profibus, Ethernet, canais seriais (RS 232, 485)

Capacidades de E/S Similares a um PLC para sinais anal. e digitais

* Fonte: Welding 2001, International Workshop on Robotic Welding Systems

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1995 1996 1997 1998 2000 2001 *

Robôs

A utilização de Robôs no Brasil

Robôs Industriais no Brasil (com 6 eixos)

A utilização de Robôs

Cerca de 1000 robôs (20% do total) são relacionados a pequenas e médias indústrias;

Setor automobilístico é o que mais utiliza robôs:

FORD (Bahia): 240 robôs ABB;

Volkswagen (SBC - SP): 400 robôs;

Citroën (Resende - RJ): 300 robôs.

População mundial de robôs: 800.000 [IFR, 2000] - Japão: 60%, Brasil: 0,63%.

Participação de Fabricantes de Robôs no Mercado Brasileiro

ABB

FANUC

KUKA

Outros*

Fabricante de Robô

Robôs Instalados

Participação

ABB 1.700 34%

FANUC 900 18%

KUKA 800 16%

Outros* 1.600 32%

Preço médio de um robô: US$ 60,000.00 Custos adicionais para condições operacionais: US$ 12,000.00 (20%)

- preparação da fundação do robô;

- instalação;

- unidades de potência (hidráulica, pneumática, elétrica etc.);

- garras e/ou ferramentas dedicadas;

- custos para treinamento de mão-de-obra (operação, manutenção);

- logística (integração com o sistema de produção);

- procedimentos de segurança;

- ajuste dos parâmetros operacionais;

- testes. Número de Robôs: 5.000 unidades; Capital investido (período 1995 - 2001*) : U$ 360 milhões

Estimativa de Capital Investido em Robótica

Principais Aplicações da Robótica

Distribuição de Robôs por Setores Econômicos

Percentual Utilização de Robôs Industriais no Chão-de-fábrica [PAEP,1999]

Setor da Indústria de Manufatura 1994 1996

Artigos de Borracha e Plásticos 0,5 0,9

Produtos Metal (exceto Máquinas e Equipamentos) 0,2 0,4

Máquinas e Equipamentos 0,4 0,4

Máquinas p/ Escritório e Equipamentos Informática 3,9 3,8

Máquinas, Aparelhos e Material Elétrico 0,6 1,6

Materiais e Aparelhos Eletrônicos; Equip. de Comunicação 1,7 3,4

Equipamentos Médicos, Ótica e Relógios; Instrumentos dePrecisão; Automação Industrial 0,4 0,8

Montagem de Veículos Automotores , Reboques eCarrocerias 1,2 2,8

Outros Equipamentos de Transporte 0,5 1,0

Distribuição de Robôs por Aplicação Industrial

Robôs ABB instalados no Brasil

Aplicação Industrial (1250 unidades) Percentual

Soldagem por pontos 33 %

Soldagem a arco 18 %

Manipulação / “paletização” 25 %

Pintura 10 %

Outros (montagem, acabamento, corte jato d’água e oxigênio) 14 %Soldagem a Arco [ABB, 2000]

Aplicação (225 unidades) Percentual

Indústria Automobilística 58 %

Fornecedores auto-peças 23 %

Indústrias em geral 19 %

Aplicações de Robôs

Movimentação:

Em operações de embalagem

Classificação de peças

Colocação e retirada de peças em centros de usinagem ou máquinas ferramenta

Carga e descarga de depósitos

Paletização

Uma classificação mais detalhada das tarefas realizadas por um robô pode ser descrita como de três tipos de natureza:

Aplicações de Robôs

Medição:

Na inspeção de objetos

Localização de contornos

Detecção de falhas na manufatura

Aplicações de Robôs

Manipulação:

Parra soldagem a arco ou ponto

Pintura com spray

Furação ou fresagem

Colagem e selamentos

Cortes a laser ou jato de água

Montagens elétricas ou mecânicas

Montagem de placas de circuitos impresso

Parafusamento

Utilização de Robôs

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.

Utilização de Robôs

O preço de um robô é determinado pelos seguintes fatores:

Tamanho;

Sofisticação ou grau de complexidade;

Exatidão;

Confiabilidade.

Utilização de Robôs

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, consequências da redução de horas de trabalho, questões de aumento de salários em atividades de maior produtividade.

Utilização de Robôs

Alguns aspectos do confronto operacional de homens e robôs são que um robô tem claramente algumas vantagens sobre os humanos:

não se cansa;

não necessita de salário;

pode manter uma qualidade uniforme na produção;

não necessita de condições ambientais especiais tais como ar condicionado, luz, silêncio, etc.

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

Classificação de Robôs Gerações (cronologicamente)

1. Robôs executores (playback) – repetem uma sequência de instruções pré-gravadas como a pintura ou soldadura.

2. Robôs controlados por sensores – possuem malhas fechadas de realimentação sensorial. Tomam decisões com base nos sensores.

3. Robôs controlados por visão – a malha fechada de controle inclui um sistema de visão (imagem que é processada).

4. Robôs com controle adaptativo – o robô pode reprogramar as suas ações com base nos seus sensores.

5. Robôs com inteligência artificial – usa técnicas de inteligência artificial para tomar as suas decisões e até resolver problemas.

Classificação de Robôs Nível de inteligência do controlador (pela JIRA – Japan

Industrial Robot Association)

Dispositivos manuais – operados por pessoas.

Robôs de sequências fixas.

Robôs de sequências variáveis – onde o operador pode mudar a sequência com facilidade.

Robôs executores – onde o operador humano guia o robô a executar uma tarefa fixa.

Robôs controlador numericamente – o operador fornece o programa do movimento, em vez de o ensinar manualmente.

Robôs inteligentes – percebem e interagem com alterações no ambiente.

Classificação de Robôs

Nível de controle dos programas no controlador

Inteligência artificial – instruções de alto nível que serão decompostas pelo sistema em funções de mais baixo nível.

Modo de controle – os movimentos do sistema são modelizados incluindo as interações dinâmicas entre os diferentes mecanismos.

Servo-sistema – os atuadores controlam os parâmetros do dispositivo usando os dados sensoriais nas malhas de controle.

Classificação de Robôs

Linguagem de programação

Sistemas guiados – o operador indica os movimentos que o robô deve fazer.

Programação ao nível do robô – o utilizador escreve um programa para especificar as sequências de movimentos que o robô terá que executar.

Programação ao nível de tarefa – o programador especifica apenas as ações a tomar sobre os objetos que o robô manipulará.

Robótica Fixa versus Robótica Móvel

As três categorias principais dos robôs são: Os manipuladores – Robôs industriais Os veículos auto-guiados (AGV) Os robôs móveis.

As principais diferenças entre estas categorias incidem nos seguintes pontos: Conhecimento contínuo da posição (verdade nos braços), Aplicações distintas (manipulação e transporte) Necessidade de percepção do ambiente (crucial nos móveis), Tipo de programação usada (normalmente mais exigente nos

robôs móveis).

Robô Autônomo Sojourner

Robô autônomo Sojourner, foi enviado a Marte pela NASA (Agência Aeroespacial dos Estados Unidos) para a pesquisa e exploração do planeta vermelho (1997).

Robô Submarino Scorpio 45

Este robô é equipado com câmeras de vídeo, e um braço mecânico, foi utilizado em agosto de 2005 em uma operação conjunta de resgate, composta por especialistas da Rússia, Inglaterra e Estados Unidos.

Atividade n° 1 - IndividualData de entrega: 24/ago/2010

Desenvolver uma pesquisa e elaborar uma sinópse manuscrita, versando sobre os seguintes temas:

1) Por que automatizar?

2) Por que não automatizar?

3) Argumentos prós e contra a automação.

Nota: A presença do aluno em sala de aula, acompanhamento dos conteúdos ministrados em classe e a pontualidade no cumprimento das atividades são premissas importantes para a avaliação. Assim sendo, não serão aceitos os trabalhos de alunos que não os entregarem até a data estipulada.

Obrigado !!!

Automação e Robótica

Prof. Ms. Décio Colaneri