sr aula1 robos_industriais

Aula 1

Introdução Robôs Manipuladores

Rio Grande, 11 de abril de 2014.

Universidade Federal do Rio Grande FURG Centro de Ciências Computacionais C3

Engenharia de Automação Sistemas Robóticos

Introdução

Robo s podem ser usados com muitos propositos, incluindo aplicacoes industriais, entretenimento e outras aplicacoes especificas, como a exploracao espacial e subaquatica e em ambientes perigosos.

Introdução

Uso do robô industrial – década de 1960

Junto com sistemas CAD (Computer-Aided Design) e CAM (Computer-Aided Manufacturing)

Número de robôs instalados por ano nas grandes regiões industrias

Robôs Industriais

Motivos:

Custo de robôs industriais vem declinando, enquanto que o da mão de obra têm aumentado

Os robôs têm se tornado mais eficientes, mais rápidos, mais precisos, mais flexíveis

Estão cada vez mais capaz de executarem tarefas perigosas ou impossíveis para trabalhadores humanos

Diversas tarefas têm se tornado candidatas à automação industriais

Robôs Industriais

Robôs industriais

São máquinas projetadas para substituir o trabalho humano em situações de desgaste físico ou mental,

ou ainda situações perigosas e repetitivas no processo produtivo em indústrias

Se um dispositivo puder ser programado para realizar diversas aplicações, ele é, provavelmente um robô industrial

Robôs Industriais

Substituição de mão de obra geram problemas Sociais:

Trabalhadores ficam desempregados - não podem consumir

Uso de robos para substituir trabalhadores humanos

Criar melhores produtos a custos mais baixos

Negociacoes entre os fabricantes de automoveis e o Sindicato dos Trabalhadores da Industria Automotiva:

Quantos empregos humanos podem ser substituidos por robos? E em que ritmo?

Robôs Industriais

Maioria dos robôs industriais são manipuladores robóticos

Primeiro semestre nos concentraremos em robôs manipuladores

Robôs Industriais

Estudar Manipuladores robóticos, envolve um conjunto de áreas

Mecânica -máquinas em situações estáticas e dinâmicas

Descrições de movimentos

Teoria de Controle

Sensores e interfaces

Programação

Robôs Industriais

Manipuladores

Os manipuladores consistem em elos (considerados rígidos) e juntas que permitem o movimento de elos consecutivos.

As juntas normalmente são equipadas com sensores de posição que permitem obter a posição relativa dos elos adjacentes

Manipuladores

Manipuladores

Os manipuladores robóticos são compostos por membros conectados por juntas em uma cadeia cinemática aberta.

As juntas podem ser:

rotativas (permitem apenas rotação relativa entre dois membros)

prismáticas (permitem apenas translação linear relativa entre dois membros)

Manipuladores

Juntas

Formas de Representar as Juntas

Rotativa R

Prismática P

Juntas

Vínculos

Garras e Ferramentas

Ferramentas

Garras

Sensores

As juntas robóticas são acionadas por atuadores:

Elétricos - elétricos são os mais utilizados industrialmente, principalmente pela disponibilidade de energia elétrica e pela facilidade de controle.

Hidráulicos - indicados quando grandes esforços são necessários; robôs de maior porte

Pneumáticos - só têm aplicação em operações de manipulação em que não são obrigatórias grandes precisões, devido à compressibilidade do ar.

Acionamento

Acionamento

Cadeia Cinemática

No caso de manipuladores robóticos geralmente as variáveis de configuração das juntas formam uma cadeia cinemática aberta

Na ponta livre da cadeia fica o efetuador (garra, maçarico de solda, ou outro dispositivo)

Cadeia Cinemática

Sistemas de Referência

O estado de objetos (elos, ferramentas, peças manipuladas) são descritos por uma posição e orientação

Atrelamos ao objeto, também, um sistema de coordenadas, ou sistema de referência (frame)

Sistemas de Referência

como representar matematicamente estas informações e como realizar transformações entre sistemas de referência

Graus de Liberdade

Número de Graus de Liberdade de um Manipulador Robótico – é o número de variáveis de posição independentes que teriam de ser especificadas para se localizarem todas as peças do robô – normalmente o número de juntas é igual ao número de graus de liberdade

Graus de Liberdade

Cada junta interconecta dois membros l1 e l2

eixo de rotação ou de translação de uma junta é denotado como eixo da junta zi

Se a junta i interconectar os membros i e i+1, as variáveis das juntas são denotadas por θi, se a junta for rotativa, ou por di, se a junta for prismática

O número de juntas determina a quantidade de graus de liberdade do manipulador

Graus de Liberdade

O número de juntas determina a quantidade de graus de liberdade do manipulador.

Tipicamente, um manipulador industrial possui 6 graus de liberdade, 3 para posicionar o órgão terminal (garra, aparelho de soldagem, de pintura, etc.) e 3 para orientar o órgão terminal

Para especificar completamente o objeto no espaco – precisamos da localizac ao e orientac ao do objeto - 6 elementos de informacao

Graus de Liberdade

Graus de Liberdade

Se um robo tem menos graus de liberdade, nao podemos arbitrariamente especificar qualquer localizacao e orientac ao

Exemplo: considere um robo com 3 graus de liberdade, que so pode se mover ao longo dos eixos x, y e z

nenhuma orientacao pode ser especificada

Exemplo: considere outro robo com 5 graus de liberdade, capaz de rodar em torno de tres eixos, mas apenas se deslocar ao longo dos eixos x e y

Pode se especificar qualquer orientacao, mas o posicionamento da peca so e possivel ao longo dos eixos x e y

Graus de Liberdade

Comparação com o braço humano:

Quantos graus de liberdade tem o braço humano?

Graus de Liberdade

Comparação com o braço humano: o braço humano tem 7 GDL enquanto os robôs em geral possuem de 3 a 6 GLD

Um sistema com 7 graus de liberdade, nao tem uma unica solucao para posicionamento e orientação de uma peça - existem várias maneiras

Graus de Liberdade

Para que o controlador saiba o que fazer, deve haver uma rotina adicional de decisao que lhe permita escolher apenas uma das infinitas solucoes. (exemplo, uma rotina para escolher o caminho mais rapido ou o mais curto)

O computador tem de verificar todas as solucoes para encontrar a resposta - o que pode tomar muito processamento

Logo, normalmente robos com 7 graus de liberdade não são utilizados na na industria.

Graus de Liberdade

Um problema semelhante surge quando um robo manipulador e montado sobre uma base movel

O robo tem um grau de liberdade adicional

Nesse caso, embora aja muitos graus de liberdade, os graus de liberdade adicionais sao conhecidos (posição da base)

O sistema pode ser resolvido

Graus de Liberdade

Pode-se ter, também, manipuladores com menor ou maior número de graus de liberdade, conforme a função a ser executada.

Quanto maior a quantidade de graus de liberdade, mais complicadas são a cinemática, a dinâmica e o controle do manipulador.

O volume espacial varrido pelo órgão terminal do manipulador é conhecido como volume de trabalho ou espaço de trabalho.

O volume de trabalho depende da configuração geométrica do manipulador e das restrições físicas das juntas (limites mecânicos).

Graus de Liberdade

Punho com três graus de liberdade

Graus de Liberdade

Graus de Liberdade

O atuador final do robo nunca e considerado como um dos graus de liberdade.

Todos os robos tem capacidade adicional, que pode parecer ser semelhante a um grau de liberdade Ex: abrir e fechar garra

No entanto, nenhum dos movimentos no atuador final sao contabilizados para os graus de liberdade do robo

Graus de Liberdade

Espaço de Trabalho

O volume espacial varrido pelo órgão terminal do manipulador é conhecido como volume de trabalho ou espaço de trabalho

O volume de trabalho depende da configuração geométrica do manipulador e das restrições físicas das juntas (limites mecânicos)

Espaço de Trabalho

O espaco de trabalho pode ser encontrado matematicamente escrevendo equacoes que definem as ligacoes e articulacoes do robo

Como alternativa, o espaco de trabalho pode ser encontrado empiricamente por mover virtualmente cada articulacao por meio da sua gama de movimentos, combinando todo o espaco que pode alcancar, e subtraindo o que nao pode alcancar

Espaço de Trabalho

Quando um robo e considerado para uma determinada aplicacao, seu espaco de trabalho deve ser estudado para garantir que o robo seja capaz de alcancar os pontos desejados

Para a determinacao exata do espaco de trabalho, consultar as folhas de dados dos fabricantes

Espaço de Trabalho

Espaço de Trabalho

Configurações Geométricas

Os robôs podem apresentar diferentes configurações geométricas, isto é, diferentes arranjos entre os membros e os tipos de juntas utilizadas

A maioria dos robôs industriais tem 6 ou menos graus de liberdade

No caso de um manipulador com seis graus de liberdade:

Os três primeiros graus (a contar da base) são usados para posicionar o órgão terminal no espaço 3D

Os três últimos servem para orientar o órgão terminal no espaço 3D


Com base nos três primeiros graus de liberdade, pode-se classificar os robôs industriais em cinco configurações geométricas:

Articulado (RRR)

Esférico (RRP)

SCARA (RRP)

Cilíndrico (RPP)

Cartesiano (PPP)

R significa junta rotativa e P significa junta prismática


Configurações Geométricas Classificação de Robôs

Robô Articulado (RRR) - também denominado antropomórfico

1. Robô Articulado (RRR)

Robô Articulado (RRR) - Liberdade de movimento grande e Volume de trabalho compacto – mais versátil dos robôs industriais

1. Robô Articulado (RRR)

Robô esférico (RRP) - Substitui a junta rotativa do cotovolo do robô articulado por uma junta prismática

2. Robô Esférico (RRP)

Robô esférico (RRP) - as coordenadas que definem a posição do órgão terminal são esféricas (θ1, θ2, d3)


Coordenadas Esféricas


Robô SCARA (RRP) - Selective Compliant Articulated Robot for Assembly – configuração recente que rapidamente se tornou popular - adequada para montagens

Tem três eixos – todos verticais e paralelos z0, z1 e z2

3. Robô SCARA (RRP)

Robô SCARA (RRP)

3. Robô SCARA (RRP)

Robô Cilíndrico (RPP) - A primeira junta é rotativa enquanto a segunda e terceira juntas são prismáticas

As variáveis das juntas são coordenadas cilíndricas (θ1, d2, d3)

4. Robô Cilíndrico (RPP)

Robô Cilíndrico (RPP)

4. Robô Cilíndrico (RPP)

Robô Cartesiano (PPP) – as três primeiras juntas são prismáticas. É o manipulador de configuração mais simples, sendo muito empregado para armazenamento de peças

5. Robô Cartesiano (PPP)

Robô Cartesiano (PPP)

5. Robô Cartesiano (PPP)

Punho de um manipulador - conjunto de juntas que são colocadas entre o antebraço e o órgão terminal, de modo a prover este último com uma dada orientação.

Em geral, os punhos robóticos são dotados de 2 ou 3 juntas rotativas.

A maioria dos robôs são projetados com punho esférico, isto é, punhos cujos eixos das juntas (todas rotativas) interceptam-se em um mesmo ponto.

Punho

Um punho esférico com três graus de liberdade

Punho

O Punho esférico simplifica bastante a cinemática de orientação

Os movimentos de rotação do punho esférico são denominados, respectivamente:

Guiagem (Yaw),

Arfagem (Pitch)

Rolamento (Roll)

Punho

É comum encontrar-se manipuladores industriais com 2 ou três graus de liberdade no punho - o robô, no total, tenha 5 ou 6 graus de liberdade.

Exemplos de Robôs

Um robô denotado como RRR-RRR é um robô articulado com um punho esférico com 3 juntas rotativas RPY (de Roll, Pitch e Yaw), com um total de 6 graus de liberdade.

Um robô RPP-RR é um robô cilíndrico com um punho com 2 juntas rotativas RP (de Roll e Pitch), com um total de 5 graus de liberdade.

Punho

A garra é o órgão terminal mais comum, possui um movimento de abre e fecha

Tal grau de liberdade não é computado quando se especifica a quantidade total de graus de liberdade do robô.

Órgão Terminal

Características dos Robôs

Precisão de um manipulador - é uma medida de quão próximo o órgão terminal pode atingir um determinado ponto programado, dentro do volume de trabalho.

Repetibilidade - diz respeito à capacidade do manipulador retornar várias vezes ao ponto programado, ou seja, é uma medida da distribuição desses vários posicionamentos em torno do dito ponto.

Precisão e Repetibilidade

A precisão e a repetibilidade são afetadas por erros de:

computação,

imprecisões mecânicas de fabricação,

efeitos de flexibilidade das peças sob cargas gravitacionais e de inércia (sobretudo em altas velocidades),

folgas de engrenagens, etc. Por este motivo, têm sido os manipuladores

Tem sido dada grande ênfase, para o projeto do controlador

Precisão e Repetibilidade

Carga util: e o peso que um robo pode carregar e ainda permanecer dentro de suas especificac oes.

a capacidade de carga maxima de um robo pode ser muito maior que a sua carga util

Alcance: e a distancia maxima que um robo pode alcancar dentro do seu envelope de trabalho.

muitos pontos dentro do envelope de trabalho do robo podem ser alcancados com qualquer orientacao desejada (destro).

No entanto, para outros pontos proximos ao limite da capacidade de alcance do robo , a orientacao nao pode ser especificada, como desejado (ponto nao destro).

O alcance e uma funcao das articulacoes e comprimentos do robo e de sua configuracao.

Carga Útil e Alcance

Problemas Tratados na Robótica

Problema Tratado na Robótica:

O que deve ser feito para programar um robô com o objetivo de executar uma determinada tarefa?

Exemplo: Considere o robô de 6GDL, portando um rebolo para uma operação de retífica plana



1) rotação do tronco

2) rotação do ombro

3) rotação do cotovelo

4) rotacao do punho (“pitch” = arfagem)

5) rotacao do punho (“yaw” = guiagem)

6) rotacao do punho (“roll” = rolamento)

6 GDL:

Exemplo: Considere o robô de 2GDL, portando um rebolo para uma operação de retífica plana

Suponha-se que se queira mover o manipulador de sua posição de espera A para a posição B, a partir da qual o robô deverá seguir o contorno S até a posição C, com velocidade constante e mantendo uma força F, normal à superfície.


Os seguintes problemas deveriam ser resolvidos:

Cinemática Direta

Cinemática Inversa

Cinemática da Velocidade

Dinâmica

Controle de Posição

Controle da Força de Retífica


Configurações Geométricas Cinemática Direta

Primeiramente, deve-se descrever as posições da ferramenta (rebolo), dos pontos A e B e da superfície S, em relação a um mesmo sistema de coordenadas inercial

O robô deve estar apto a “sentir” sua posicao em cada instante, por meio de sensores (codificadores óticos, potenciômetros, etc.) localizados nas juntas os quais podem medir os ângulos

Cinemática Direta

Exemplo

Cinemática Direta

É necessário expressar as posições da ferramenta em termos desses ângulos, isto é, expressar x e y em função de θ1 e θ2

Problema da Cinemática Direta - dadas as coordenadas das juntas θ1 e θ2, determinar x e y (as coordenadas do órgão terminal).

Cinemática Direta

Configurações Geométricas Cinemática Inversa

Cinemática direta - determina as coordenadas x e y do TCP, assim como sua orientação, uma vez conhecidas as coordenadas das juntas θ1 e θ2

Entretanto, para comandar o robô, é necessário o inverso: dadas x e y, que ângulos θ1 e θ2 devem ser adotados pelas juntas, de modo a posicionar o TCP na posição (x, y)? Esse é o chamado problema da cinemática inversa.

Tendo em vista que as eq. de cinemática direta são não-lineares, a solução pode não ser simples.

Cinemática Inversa

Pode não haver solução (posição (x,y) fora do volume de trabalho), como pode também não haver uma solução única para o problema

Exemplo, existem as chamadas configurações cotovelo acima e cotovelo abaixo:

Cinemática Inversa

Configurações Geométricas Cinemática da Velocidade

Para seguir o contorno S com uma velocidade especificada, é preciso conhecer a relação entre a velocidade do TCP e as velocidades das juntas.

Isso pode ser obtido derivando as eqs da cinemática direta:

Cinemática da Velocidade

Para determinar as velocidades das juntas a partir das velocidades do TCP, usa-se a operação inversa, obtendo-se a cinemática inversa de velocidade

Configurações Geométricas Dinâmica

Para controlar a posição do manipulador é preciso conhecer as suas propriedades dinâmicas de modo a saber a quantidade de força (ou torque) que deve ser aplicada às juntas para que ele se mova.

Pouca força fará com que o manipulador reaja vagarosamente

Força demais pode fazer com que o manipulador esbarre em objetos ou vibre em torno da posição desejada

Dinâmica

A dedução das equações dinâmicas de movimento não é uma tarefa fácil, devido à grande quantidade de graus de liberdade e também às não-linearidades presentes.

São usadas técnicas baseadas na Dinâmica Lagrangiana ou na Dinâmica Newtoniana, para a dedução sistemática de tais equações

Além da dinâmica das peças (membros) que compõem o manipulador, a descrição completa deve envolver a dinâmica dos atuadores e da transmissão

Dinâmica

Configurações Geométricas Controle da Posição

O problema do controle da posição consiste em determinar as excitações necessárias a serem dadas aos atuadores das juntas para que o Órgão Terminal siga uma determinada trajetória e simultaneamente, rejeitar distúrbios originários de efeitos dinâmicos não modelados, tais como atrito e ruídos.

Controle da Posição

O enfoque padrão utiliza estratégias de controle baseadas no domínio da freqüência

Outras estratégias, como o controle não-linear, são também utilizadas no controle de posição do manipulador.

Controle da Posição

Configurações Geométricas Controle da Força de Retífica

Uma vez alcançada a posição B, o manipulador deve seguir o contorno S, mantendo uma certa força normal constante contra a superfície

O valor dessa força não pode ser muito pequeno, de modo a tornar a operação de retífica ineficiente, nem muito grande, pois poderia danificar tanto a obra como a ferramenta

Então, deve-se exercer um controle preciso sobre a força

Cinemática da Força Retífica

Exercícios

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Engineering