55
1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

1

Robótica

Introdução a Robótica

Robôs Manipuladores

Page 2: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

2

Histórico– A palavra robô, vem da palavra Tcheca “robota”, que significa trabalho árduo ou trabalho escravo.– Ela foi usada pela primeira vez em uma peça de ficção (RUR) do autor KAREL CAPEK, em 1920.– A palavra Robótica, foi citada pela primeira vez em uma história de ficção (Runaround) do autor Isaac Asimov, em 1942.

Page 3: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

3

Histórico

1ªlei:"Um robô não pode ferir um ser humano ou, permanecendo passivo, deixar um ser humano exposto ao perigo".

2ª lei:"O robô deve obedecer às ordens dadas pelos seres humanos, exceto se tais ordens estiverem em contradição com a primeira lei".

3ª lei:"Um robô deve proteger sua existência na medida em que essa proteção não estiver em contradição com a primeira e a segunda leis".

0ª lei:" Um robô não pode causar mal à humanidade nem permitir que ela própria o faça".

O grande escritor americano de ficção científica Isaac Asimov estabeleceu quatro leis muito simples para a robótica:

Page 4: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

4

Histórico

– Puma (1978) – Primeiro manipulador guiado por sensores que foi utilizado pela industria.

Parceria entre:Universidade de StanfordUnimationGM

– AGM (Automatic Guided Vehicles), foram os primeiros robôs móveis.

Criados em 1954.

Barret Eletronics Corporation

Page 5: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

5

Historico• 250 a.C. – Surge a clepsadra, ou relógio de água, na Grécia. Seu funcionamento se dava através de um sifão,

utilizava a água, de forma reciclada, para medir o tempo.• Idade média – Surgem os relógios de pêndulo.• Séc. XVIII – Surgem os relógios de mola. Também houve a criação dos autômatos, os ancestrais dos robôs

modernos. O autômato era uma complexa marionete mecânica que imitava a forma do corpo humano (ou de animais), possuindo braços, lábios e outras partes dirigíveis. Eles realizam atividades como escrita, desenho, tocar piano e até flauta. Inicia-se a Revolução Industrial na Inglaterra.

• Séc. XIX – Utilização dos autômatos em certas máquinas usando específicos processos industriais.• Séc. XX – Para permitir que o autômato fosse flexível para ser aplicado eficientemente em industrialização, foi

requerido o desenvolvimento de modernos computadores, controle com feedback dos atuadores, transmissão de potência das engrenagens e desenvolvimento de sensores.

• 1926 – Criação do primeiro movimento envolvendo robôs denominado Metropolis.• 1948 – O neurofisiologista inglês W. Grey Walter construiu Elmer, uma tartaruga mecânica movida a luz solar e

que se dirigia à sombra quando estava descarregada e ao sol quando estava sem energia.• 1959 – Lançado o 1º robô industrial pela empresa americana Animation Incorporation.• 1962 – A General Motors instalou o seu primeiro robô Unimation.• 1969 – Foi construído pelo Standford Research Institute, o mais sofisticado robô móvel, este robô usava visão

para controlar seus movimentos. Este robô foi chamado Shakey e foi dado a ele tarefas a serem executadas, tais como: reconhecer um objeto usando visão, achar o caminho para o objeto e outras ações sobre o objeto tal como como empurrá-lo.

• 1970 – O Lunokohod, um russo, pôde explorar a superfície da lua com um controle remoto daqui da terra. O primeiro robô o qual poderia ser programado para responder a uma informação de sensor externo sem uma intervenção humano direta foi construído em um laboratório de inteligência artificial para testar o reconhecimento.

• 1976 – É utilizado pela 1ª vez um braço mecânico para coletar amostras do solo marciano pela NASA.• 1998 – Um pequeno robô denominado Sojourner, levado pela sonda Pathfinder, explora a superfície do planeta

Marte, trazendo imagens do planeta para a Terra e realizando análises geológicas.

Page 6: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

6

Tipos de Rôbos1. Manipuladores: estão fisicamente ancorados (ou fixos)

a seu local de trabalho

Em uma linha de montagem industrial ou uma estação espacial. Robôs industriais, automóveis

1. Móveis: se deslocam por seu ambiente usando rodas, pernas ou mecanismos semelhantes

Veículos aéreos não-tripulados (UAV – unmanned air vehicle) usados para vigilância e operações militares

1. Humanóides: híbrido, um robô móvel equipado com manipuladores cuja estrutura física imita o torso humano

Page 7: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

7

Gerações dos Robôs

1. Primeira Geração:Realiza apenas movimentos pré-programadosRetornam poucas informações sobre o ambiente

Situações de abstruçõesConfirmação sobre os movimentos executados

1. Segunda Geração:Comunicação com o ambienteSistema de sensoriamento e identificação

Page 8: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

8

T-Rot

Possui sensores que ajudam a manipular objetos delicados como ovos e cristais.

Possui duas câmeras que são capazes de diferenciar rostos e objetos.

Matem conversas simples. Entende e executa ordens.

Page 9: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

9

COG

• Laboratório de Inteligência Artificial do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, na cidade de Cambridge, Estados Unidos.

• Objetivo: Ser capaz de Aprender com um comportamento equivalente a um recém-nascido.

• Recebe os ensinamentos de uma figura materna, uma mulher de verdade, sendo programado para reconhecê-la.

Page 10: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

10

Gengis e AtilaGêngis e Átila são parte de um projeto do Laboratório de Inteligência Artificial do MIT, iniciado por Rodney Brooks no início da década passada, que tem como estratégia o desenvolvimento de robôs inteligentes.

Page 11: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

11

Yamabico

• Universidade de Tsukuba– pesquisas sobre robôs móveis autônomos

É parte de um projeto que não foi iniciado com a pretensão única de desenvolver o robô, mas também para servir como uma ferramenta que possibilitasse o estudo dos sensores, hardware, e software para robôs móveis

Page 12: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

12

Humanoid

Projeto iniciado em 1992

Capacidade de compreender, reconhecer, expressar em um sistema que permite que o robô e o ser humano possam construir um espaço mental e físico de forma cooperativa

O Projeto foi dividido em quatro grupos:

Page 13: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

13

Novos caminhos

• Suplantar a Humanidade?

• Complementar?- Psicologia e topologia cerebral.

- Análise do Comportamento (behaviorismo).

- Alternativas a criatividade.

• Continuidade da “raça” humana?- Limitações do corpo físico (tempo, mecânicas...)

- “Feitos a sua imagem e semelhança.”

Page 14: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

14

Ciclo de Vida

• Auto-Reprodução

• Utilização de técnicas de permutação (algoritmos genéticos) para melhoria controlada da espécie

• Rápida capacidade de Melhoria na Escala Evolutiva

• “Seriam robôs uma nova raça?”

Page 15: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

15

Novas tecnologias

• Agentes móveis- Insetos que se misturam ao ecosistema.

- Outras inserções nos meios de análise.

• Cotidiano (carros, casas, wearable computers)

• Nanorobots

• Realidade Virtual- Simulações e utilidades.

- Robocode

Page 16: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

16

Roboética

• Problemas- Substituição da Mão de Obra

- O poder dos Super Robôs (capacidade mecânica e processamento/armazenamento)

- Legislação para os “robobeams”

- Ética para os robôs (reinserção das três/quatro leis e construção de IA’s através do paradigma da inferência)

- Direitos das máquinas

- “Você seria capaz de diferenciar um animal simples de um robô?”

Page 17: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

17

Vida versus Máquina

• Animais Unicelulares (ameba, protomiticondria)

• Animais de Pequeno Porte (animais domésticos, de estimação, de guarda)

• Animais de Grande Porte (cavalos, animais utilitários)

• Nanorobôs

• Autômatos (reprodutivos ou não) ex.: Aybo, robots de estimação, alarmes inteligentes

• Carros robô (Robot Race, Carnegie Mellon RedTeam)

Page 18: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

18

Robôs

• São agentes físicos que executam tarefas manipulando o mundo físico

• São equipados com efetuadores e sensores• Efetuadores: meios pelos quais os robôs se

movem exercendo forças físicas sobre o ambiente– Pernas, rodas, articulações e garras

• Sensores: interface perceptiva entre robôs e seu ambiente– Câmeras, ultra-som para medir o ambiente,

giroscópios..

Page 19: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

19

Robôs – Aspectos Gerais• Sensores

– Passivos => São observadores que captam sinais gerados por outras fontes no ambiente.

Ex: Câmeras.

– Ativos => Enviam energia ao ambiente contando que esta energia será refletida de volta ao sensor pra a transmitir algum tipo de informação como obstáculos, etc.

Ex: Sonar

A depender do tipo de informação que os sensores ativos e passivos captam, eles podem ser:

Sensor de sonar Sensores táteis Sensores de tratamento de imagens Sensores proprioceptivos Sensores inerciais Sensores de força Sensores de torque

Page 20: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

20

Efetuadores

• Grau de liberdade (GDL)– conta-se um grau de liberdade para cada direção que o robô ou os efetuadores possam se mover.

• Articulações de revolução – geram movimentos de rotação.

• Articulação prismática – gera movimento de deslizamento.

• Tração diferencial – rodas ou esteiras acionadas independentemente, uma em cada lado.

• Tração sincronizada – cada roda pode se mover ou girar em torno de seu próprio eixo.

Page 21: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

21

Arquitetura dos Robôs

• Arquiteturas de Software para robótica devem decidir como combinar controle reativo e controle deliberativo.

• Controle Reativo: é orientado para sensores e é apropriado para tomadas de decisões de baixo nível em tempo real.

• Controle Deliberativo: é mais apropriado para tomadas de decisões a nível global pois estas tomadas de decisões dependem de informações que não podem ser percebidas em tempo real.

• As arquiteturas que combinam técnicas reativas e deliberativas são chamadas de Arquiteturas Híbridas.

Page 22: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

22

Tipos de Arquiteturas• Arquitetura de Subsunção (Brooks, 1986) – é uma estrutura para

montagem de controladores reativos a partir de máquinas de estados finitos.

• As máquinas de estados finitos que utilizam relógios internos para controlar o tempo de duração do percurso de um arco são conhecidas como MEFAs.

S3 S4

S1S2

Parali-sado?

avançar não

baixarerguer

empurrar para trás

sim

retrair, levantar mais alto

Page 23: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

23

Tipos de Arquitetura

• Arquitetura de Três Camadas – é uma arquitetura híbrida que consiste em uma camada reativa, uma camada executiva e outra camada deliberativa.

– Camada reativa: fornece controle de baixo nível ao robô.

– Camada executiva: serve como o fator de união entre a camada reativa e a deliberativa.

– Camada deliberativa: gera soluções globais para tarefas complexas usando um planejamento.

Page 24: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

24

Aplicações em Robótica

• Robótica Industrial– A área com os conceitos técnicos mais bem

fundamentados e implementados em robôs.– Geralmente possuem a forma de um braço e são

utilizados para tarefas mecânicas de montagem.– Classificados de acordo com o grau de liberdade de

seu corpo

Page 25: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

25

Aplicações em Robótica

• Robótica na Saúde– Cirurgias à distância, aplicação mais importante

para robôs nesta área. Um cirurgião especialista pode realizar a cirurgia em um paciente que se encontra até mesmo em outro país.

• Robótica para Entretenimento– A tecnologia em serviço da diversão. Principal

objetivo desses robôs é entreter.– Segmento da robótica que tem crescido muito,

acelerando muito o desenvolvimento na área.

Page 26: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

26

Robôs Manipuladores

• Braço e punho (arm-wrist)• O braço é a parte do manipulador que está normalmente

associada ao posicionamento (x, y, z) no espaço físico (operacional);

• O punho afeta essencialmente a orientação (θ,φ,ψ) da garra, pinça ou outros end-effectors (tools);

• Braço e punho são constituídos por partes rígidas, os elos (links), ligadas entre si pelas juntas (joints);

Page 27: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

27

Robôs Manipuladores

• Partes principais:– Controladores;– Atuadores;– Sensores;

• Técnica: Vantagem da versatilidade pela programação (para vários níveis de especialização do operador)

• Humana: Tarefas pesadas ou desagradáveis para humanos são feitas por máquinas.

• Econômica: Um mesmo equipamento pode ter múltiplas funções e substituir vários equipamentos distintos.

Page 28: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

28

Estrutura e Topologia - Manipuladores

• Componentes:– O braço– Controlador– A ponta da Ferramenta– Atuadores e Tipos de Atuação– Sensores mais usados

• Juntas– Arranjo cinemático– Graus de liberdade

• Espaço de trabalho• Estruturas cinemáticas• Resolução, Repetibilidade, Exatidão

Page 29: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

29

Componentes• Braço

– Constituído por juntas e elos– Os elos ligados em seqüência (manipulador série – por oposição

ao manipulador paralelo, que não será estudado nesta disciplina);• Controlador:

– Reúne a unidade de cálculo e programação, e as unidades de potência.

• Grandezas das juntas usualmente controladas– Posição– Velocidade– Força

• Algoritmos de controle– Proporcional– Proporcional + diferencial (PD)– Proporcional + integral (PI)– Proporcional + diferencial + integral (PID)– Outros...

Page 30: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

30

Componentes

• Ponta da Ferramenta (end-effector)– Pode ser de dois tipos:

• Pressão mecânica (gripper)• ferramenta (tool)

Page 31: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

31

Componentes

• Além das garras do tipo pinça há ainda aquelas de funcionamento baseado em:– Vácuo– Magnetismo– Adesivos

• Outros tipos:– mãos antropomórficas

• Ferramentas:– Soldadura– Corte jacto de água– Furador, polidor, etc

Page 32: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

32

Componentes: Atuadores

CaracterísticaTipos de atuadores

Elétricos Hidráulicos Pneumáticos

ControleFácil. Possibilidade

de ser elaborado.Hoje em dia mais fácil com as eletro servo-válvulas

Muito difícil. Devido a questões de compressibilidade do ar

Velocidades Grande Média/Grande Muito grande

Torque a baixa

velocidade (aceler.)

Pequenos/Médios GrandePequenos

Precisão

(repetibilidade)

Boa. Limitada pelo uso de transmissão Boa

Má, exceto em operações a

posições fixas.

Funcionamento em

situação estática

Mau. Requer

travões.

Excelente. Trata-se

de funcionamento

normal.

Bom. Não há risco de

danificação do sistema.

Questões

ambientais

Os arcos eléctricos

podem ser

indesejáveis.

Perigo de fugas de

óleo.

Sistemas limpos. Poluição

sonora de componentes,

compressores e das fugas.

CustosRelativamente

baixosAltos

Relativamente

Baixos

Page 33: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

33

Tipos de Atuação

• Direta– O elemento móvel do atuador é acoplado à

junta diretamente

• Indireta– o elemento móvel do atuador é acoplado à

junta mediante um sistema de transmissão– Os motores elétricos são normalmente

usados em atuação indireta:• Alta velocidade/Torque baixo.

– São exceções os motores passo a passo, ou os chamados direct-drive motors, que têm uma concepção especial e permitem altos torques a baixa rotações

Page 34: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

34

Sensores

• Sensores internos (estado do sistema)– Sensores de posição

• Potenciômetros, Codificadores (ópticos)

– Sensores de velocidade– Sensores de força

• Sensores externos (percepção do ambiente)– De posição

• Réguas ópticas• LVDT, ...

– Outros... (muitos outros!)

Page 35: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

35

Sensores de posição Potenciômetros

• Indicam uma posição angular ou linear gerando uma resistência variável de acordo com o deslocamento

Page 36: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

36

Sensores de posição - Codificador incremental

• Gera um impulso por cada incremento de um certo valor conhecido no deslocamento angular de um eixo

Page 37: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

37

Sensores de posição - Codificador absoluto

• Neste sistema, a cada posição do disco corresponde uma leitura em código binário– Gera-se um padrão linear de bits (luz e ausência de luz)

que incide num fotodetector

Page 38: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

38

Sensores de posição angular – o “Resolver”

• Dispositivo que gera uma tensão elétrica senoidal proporcional (em amplitude ou fase) a um dado ângulo α que se quer avaliar.

• Sistema muito usado industrialmente e dos mais confiáveis atualmente disponíveis!

• Princípios– 3 enrolamentos (solenóides)– dois deles em quadratura; o 3º com um certo ângulo α ou (90–α).– O 3º é excitado com uma tensão alternada.– Nos outros dois há tensões induzidas dependentes do ângulo

Page 39: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

39

Sensores de posição linear - LVDT

• Linear Variable Differential Transformer - LVDT– Transformador diferencial variável linear (LVDT)– 3 enrolamentos sendo o primário alimentado em tensão AC– Movimento do núcleo altera a relação de indução entre os diversos

enrolamentos– vo = v1-v2– Relação linear: vo(deslocamento)– Sistema muito preciso em pequenos deslocamentos– Adequado a ambiente industrial

Page 40: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

40

Sensores para velocidade

• Normalmente, a velocidade que se mede é angular. Justifica-se dado a grande maioria dos sistemas assentar em unidades de rotação.– Taquímetro (Tacômetro)

• dispositivo que gera uma tensão elétrica proporcional à velocidade de rotação; acopla-se ao veio em rotação (apropriado para grandes velocidades angulares, i.e., de algumas a dezenas de rotações /s)

– Giroscópios (ópticos)• dispositivo que indica a velocidade angular; fica solidário com o

sistema em rotação (apropriado para baixas velocidades angulares, i.e., menores que 100 º/s)

– Outros• Sistemas que, usando informação temporal de relógio, usam

informação sensorial de posição e derivam a velocidade – caso dos codificadores incrementais.

Page 41: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

41

Juntas simples

• Rotacional• Prismática• Mista

– Rotacional + Prismática– Na maioria dos manipuladores, as juntas

são normalmente divididas em dois grupos:

• Juntas principais (3 juntas mais próximas da base)

• Juntas secundárias ou juntas do punho (as restantes juntas, mais próximas do end-effector)

Page 42: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

42

Outras juntas

• Esférica (socket and ball)– 3 rotacionais

• Universal– 2 rotacionais ortogonais

Page 43: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

43

Arranjo cinemático

• Representação simbólica das juntas de um sistema robótico

• Ilustração de um caso RRPS, ou seja uma junta rotacional (R) ,seguida de outra rotacional (R), depois de uma prismática (P) e finalmente uma esférica (S)

Page 44: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

44

Graus de liberdade – Deg. of freedom (DOF)

• Número total de movimentos independentes que um dispositivo pode efetuar.

• Um objeto livre no espaço pode deslocar-se em três direções e rodar em torno de três eixos – diz-se que tem 6 graus de liberdade

• Graus de mobilidade – é outra coisa: é igual ao número de juntas do sistema mas podem não ser iguais aos de liberdade (podem ser menos)

• Ex. Ponteiro telescópico – 3, 4,... graus de mobilidade mas só um grau de liberdade

• Ex. Tripé de fotografia – 9 juntas (9 graus de mobilidade), mas só 3 graus de liberdade

Page 45: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

45

Exemplo de graus de liberdade

• Para mudar esta peça e rodá-la são necessários 4 graus de liberdade apenas (x,y,z, uma orientação). (NB: o manipulador ilustrado não tem a possibilidade de o fazer para todas as orientações possíveis);

• Para colocar esta peça no encaixe (que pode ter uma orientação arbitrária) são necessário 6 graus de liberdade: 3 para as posições x,y,z e 3 para as 3 orientações do encaixe. (o manipulador ilustrado não o permite fazer);

Page 46: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

46

Graus de liberdade do braço humano

Page 47: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

47

Espaço de trabalho de um manipulador

• Espaço ou volume de trabalho é a região dentro da qual o manipulador pode posicionar o end-effector

• O espaço de trabalho está relacionado com a chamada estrutura cinemática de manipuladores que é dada pela configuração das juntas primárias (as três primeiras):– Cartesiana (PPP)– Cilíndrica (RPP)– Esférica (RRR)– Articulado Horizontal ou SCARA (RRP)– Articulado vertical ou antropomórfico (RRR)

Page 48: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

48

Estruturas cinemáticas - PPP• Também chamada Cartesiana

Page 49: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

49

Estruturas cinemáticas - RPP• Cilíndrica

Page 50: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

50

Estruturas cinemáticas – RRP• Esférica

Page 51: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

51

Estruturas cinemáticas – (SCARA) RRP

• Articulado horizontal (SCARA – Selective Compliance Assembly Robot Arm)

Page 52: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

52

Estruturas cinemáticas – RRR• Articulado vertical ou antropomórfico

Page 53: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

53

Comparação de volumes de trabalho

• Admitindo todas as prismáticas varrendo L, e A=L, e as rotacionais 360º virá:

• Conclusão: o espaço de trabalho aumenta com o número de juntas rotacionais

Page 54: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

54

Resolução, Repetibilidade, Exatidão

• Resolução:– o menor movimento incremental de uma junta;

• Repetibilidade (ou, por vezes, precisão):– traduz a diferença de posição (linear em geral) com

que o robot volta a recolocar-se num ponto visitado anteriormente (afetado por variabilidade de comportamento mecânico, materiais, etc.)

• Exatidão– Traduz a diferença entre uma posição realmente

atingida e a posição desejada pela programação. (Afetado pela eficácia do controlador que pode ser afetado pelo payload, região do espaço de trabalho, etc.)

Page 55: 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

55

Ilustração de repetibilidade e exatidão

• Tiro ao alvo