braço mecanico

Rodrigo Bernardo Moreira

O BRAO MECNICOINTRODUO.Neste captulo estudaremos o brao mecnico do rob, seus tipos de juntas e graus de liberdade, seus tipos de articulaes, sua rea de trabalho (work envelope), e suas formas de acionamento. O brao do rob executa movimentos no espao, transferindo objetos e ferramentas de um ponto para outro, instrudo pelo controlador e informado sobre o ambiente por sensores. Na extremidade do brao existe um atuador usado pelo rob na execuo de suas tarefas. Todo brao de rob composto de uma srie de vnculos e juntas, onde a junta conecta dois vnculos permitindo o movimento relativo entre eles, como mostrado na figura 1. Todo rob possui uma base fixa e o primeiro vnculo est preso a esta base. A mobilidade dos robs depende do nmero de vnculos e articulaes que o mesmo possui.

FIGURA 1 - Junta e vnculos em um brao de rob

TIPOS DE JUNTAS.Os braos de robs podem ser formados por trs tipos de juntas: juntas deslizantes; juntas de rotao; juntas de bola e encaixe. A maioria dos braos dos robs so formadas pelas juntas deslizantes e de revoluo, embora alguns incluam o de bola e encaixe. A seguir ser descrito cada um destes tipos de juntas.

Juntas Deslizantes.


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

FIGURA 2 - Junta deslizante

Juntas de Rotao.Esta conexo permite movimentos de rotao entre dois vnculos. Os dois vnculos so unidos por uma dobradia comum, com uma parte podendo se mover num movimento cadenciado em relao outra parte, como mostrado na figura 3. As juntas de rotao so utilizadas em muitas ferramentas e dispositivos, tal como tesouras, limpadores de pra-brisa e quebra-nozes.

FIGURA 3 - Junta de rotao

Juntas de Bola e Encaixe.


Esta conexo se comporta como uma combinao de trs juntas de rotao, permitindo movimentos de rotao em torno dos trs eixos, como mostrado na figura 4.

FIGURA 4 - Junta de bola e encaixe Estas juntas so usadas em um pequeno nmero de robs, devido dificuldade de ativao. De qualquer maneira, para se ter a performance de uma junta bola e encaixe, muitos robs incluem trs juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentao se cruzam em um ponto, como na figura 5.


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

GRAUS DE LIBERDADE.O nmero de articulaes em um brao do rob tambm referenciada como grau de liberdade. Quando o movimento relativo ocorre em um nico eixo, a articulao tm um grau de liberdade. Quando o movimento por mais de um eixo, a articulao tm dois graus de liberdade. A maioria dos robs tm entre 4 a 6 graus de liberdade. J o homem, do ombro t o pulso, tm 7 graus de liberdade.

CLASSIFICAO DOS ROBS PELO TIPO DE ARTICULAO. usual classificar os robs de acordo com o tipo de junta, ou mais exatamente, pelas 3 juntas mais prximas da base do rob. Esta diviso em classes fornece informaes sobre caractersticas dos robs em vrias categorias importantes: 1. 2. 3. 4. Espao de trabalho. Grau de rigidez. Extenso de controle sobre o curso do movimento. Aplicaes adequadas ou inadequadas para cada tipo de rob.

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


- Cartesiano. - Cilndrico. - Esfrico. - Articulao horizontal. - Articulao vertical. O cdigo usado para estas classificaes consiste em trs letras, referindo-se ao tipo de junta ( R = revoluo, P = deslizante - do ingls prismatic ) na ordem em que ocorrem, comeando de junta mais prxima base.

Robs Cartesianos.O brao destes robs tm trs articulaes deslizantes sendo codificado como PPP, como na figura 6.

FIGURA 6 - Rob Cartesiano Os robs cartesianos caracterizam pela pequena rea de trabalho, mas com um elevado grau de rigidez mecnica e so capazes de grande exatido na localizao do atuador. Seu controle simples devido ao movimento linear dos vnculos e devido ao momento de inrcia da carga ser fixo por toda a rea de atuao.

Robs Cilndricos.Os braos destes robs consistem de uma junta de revoluo e duas juntas deslizantes, sendo codificada como RPP, como segue na figura 7.


FIGURA 7 - Rob Cilndrico A rea de trabalho destes robs so maiores que os robs cartesianos, mas a rigidez mecnica ligeiramente inferior. O controle um pouco mais complicado que o modelo cartesiano, devido a vrios momentos de inrcia para diferentes pontos na rea de trabalho e pela rotao da junta da base.

Robs Esfricos.Estes robs possui duas juntas de revoluo e uma deslizante, sendo codificado como RRP, como na figura 8.


FIGURA 8 - Rob Esfrico Estes robs tem uma rea de trabalho maior que os modelos cilndricos, mas perde na rigidez mecnica. Seu controle ainda mais complicado devido os movimentos de rotao.

Robs com Articulao Horizontal.Caracterizam-se por possuir duas juntas de revoluo e uma deslizante, sendo codificados RRP, como na figura 9.


FIGURA 9 - Rob com Articulao Horizontal A rea de atuao deste tipo de rob menor que no modelo esfrico, sendo apropriados para operaes de montagem, devido ao movimento linear vertical do terceiro eixo.

Robs com Articulao Vertical.Estes robs caracterizam-se por possuir trs juntas de revoluo, sendo codificados por RRR, como na figura 10.


FIGURA 10 - Rob com Articulao Vertical Sua rea de atuao maior que qualquer tipo de rob, tendo uma baixa rigidez mecnica. Seu controle complicado e difcil, devido as trs juntas de revoluo e devido variaes no momento de carga e momento de inrcia.

COMPARAO DA REA DE TRABALHO DOS ROBS.Nesta seo ser feita uma anlise matemtica elementar para o calculo da capacidade dos robs. As comparaes so ilustradas na figura 11 e o calculo da rea de trabalho segue-se aps a mesma. Robs Cartesianos - Alcanam qualquer ponto de um cubo de lado L.

V = L *L *LRobs Cilndricos - alcanam qualquer ponto em um cilindro de altura L e raio 2L, exceto os pontos do cilindro interno de raio L e altura L.


V = 9,42 * L * L * LRobs Esfricos - alcanam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L, exceto a esfera interna de raio L.

V = 29,32 * L * L * LRobs de Articulao Horizontal - alcanam qualquer ponto de um cilindro de raio 2L e altura L.

V = 12,56 * L * L * LRobs de Articulao Vertical - Alcanam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L.

V = 33,51 * L * L * LDessa forma, os robs possuem um progressivo aumento na sua rea de atuao, indo do cartesiano at o de articulao vertical. Ento, a razo entre a rea relativa aos casos extremos :

Vav/Vc = 33,51Isto significa que a rea de trabalho de um rob com articulao vertical com 2 vnculos de tamanho L 33,51 vezes maior que a rea de trabalho do rob cartesiano com 3 vnculos de tamanho L.


FIGURA 11 - Comparao da rea de Trabalho dos tipos de robs

CONVENINCIA PARA TAREFAS PARTICULARES.A avaliao dos tipos de articulaes e seu arranjo, permite ao projetista estimar a rea de atuao do rob, rigidez mecnica e facilidade de controle do brao, possibilitando qual tarefa ser mais apropriada para cada tipo de rob. O movimento das articulaes


capacitam o rob a mover seu atuador para qualquer ponto na sua rea de atuao, mas no habilitando o controle da orientao do atuador no espao; cuja importncia no se restringe somente ao alcance da pea, mas tambm em conduzir o atuador a uma certa altitude em relao a pea. Essa tarefa pode ser realizada adicionando-se articulaes para o pulso do brao, dando um maior grau de liberdade. A partir disso, o rob fica habilitado a realizar os seguintes movimentos: Pitch - movimento para cima e para baixo. Roll - movimento de rotao no sentido horrio e anti-horrio. Yaw - movimento para a esquerda e para a direita.

CONSTRUO DOS VNCULOS.Um importante fator na construo dos vnculos a carga que o mesmo suporta, o peso do prprio brao e o grau de rigidez do mesmo. Um brao pesado necessita de um motor maior, tornando o custo do rob mais elevado. Um brao de baixa rigidez reduz a preciso do rob devido s vibraes e resposta tenso. Para aumentar a rigidez mecnica do brao sem aumentar seu peso, freqentemente usa-se uma estrutura oca. A utilizao deste tipo de estrutura tem uma melhor dureza quando comparada com uma construo macia utilizando a mesma massa de material. Essa comparao mostrada na figura 12.

FIGURA 12 - Estruturas para a construo de vnculos

DRIVER'S DE ACIONAMENTO DO BRAO DO ROB.Existem vrios tipos de Driver's que so classificados genericamente como: pela forma de movimento - Drivers de Rotao e de Deslizamento. pela forma de acionamento - Drivers Eltrico, Hidrulico, Pneumtico pela forma de conexo - Drivers Direto e Indireto Classificao pela forma movimento: Drivers de rotao e de deslizamento Driver de rotao - consiste em um motor, que quando conectado sua fonte de energia, o eixo do motor responde em um movimento de rotao.


Driver deslizante - consiste em um cilindro hidrulico ou pneumtico. O movimento linear tambm pode ser produzido por um movimento rotativo usando correias ou hastes empurradas pelo motor, fazendo uma converso de movimento rotativo em linear.

Classificao pela forma acionamento: Drivers eltrico, hidrulico e pneumtico Driver Eltrico Este tipo de driver utiliza motores eltricos que podem ser: motor de corrente contnua, motor de passo e motor de corrente alternada. Muitos robs novos tem drivers de motor corrente contnua devido ao alto grau de preciso e simplicidade de controle do motor eltrico. As vantagens do driver eltrico: 1. 2. 3. 4. Eficincia calculada, controle preciso. Envolve uma estrutura simples e fcil manuteno. No requer uma fonte de energia cara. Custo relativamente pequeno.

As desvantagens: 1. No pode manter um momento constante nas mudanas de velocidade de rotao. 2. Sujeitos a danos para cargas pesadas suficientes para parar o motor. 3. Baixa razo de potncia de sada do motor e seu peso, necessitando um motor grande no brao. Driver hidrulico Esta unidade composta de: motor de movimento rotativo e cilindro para movimento deslizante. A unidade de acionamento hidrulico provoca movimento em pistes que comprimem o leo, como mostra a figura 13.


FIGURA 13 - Unidade de acionamento hidrulico O controle feito atravs de vlvulas que regulam a presso do leo nas duas partes do cilindro e que impulsionam o pisto. As vantagens do driver hidrulico: 1. Momento alto e constante sob uma grande faixa de variao de velocidade. 2. Preciso de operao (menor que o eltrico e maior que o pneumtico). O leo no compressvel e no h variao de seu volume quando se varia a presso. 3. Pode manter um alto momento para um longo perodo de tempo, quando parado. As desvantagens so: 1. 2. 3. 4. Requer uma fonte de energia cara. Requer uma manuteno cara e intensa. Requer vlvulas de preciso caras. Est sujeito a vazamento de leo.

Driver pneumtico Esta unidade similar hidrulica e composto de: motores pneumticos de movimento rotativo e cilindros pneumticos de movimento deslizante. Na figura 13 pode-se considerar a mesma para acionamento pneumtico, utilizando ar ao invs de leo. Possui um alto grau de preciso nas paradas. So utilizados em sistemas automticos simples, mas pouco utilizado em robs devido alta compressibilidade, o que reduz a habilidade de realizar controle preciso. muito utilizado em movimentos de


agarramento, tanto para abrir como para fechar as garras. As vantagens do driver pneumtico: 1. 2. 3. 4. 5. Podem operar em velocidades extremamente altas. Custo relativamente pequeno. Fcil manuteno. Podem manter um momento constante em uma grande faixa de velocidade. Pode manter alto o momento por longos perodos de tempo sem danos, quando parado.

As desvantagens so: 1. No possui alta preciso. 2. Esta sujeito a vibraes quando o motor ou cilindro pneumtico parado. Resumindo, o driver eltrico melhor em aplicaes envolvendo: Alta preciso de posio; Transferncia de carga de tamanho pequeno e mdio; Pequenas ambientes para sistemas de compressores de leo e ar; O driver hidrulico trabalha melhor em situaes envolvendo: Transferncia de cargas pesadas ( de 2.000 pounds ou mais); De mdia para alta preciso na localizao e velocidade; O driver pneumtico prefervel em aplicaes envolvendo: Baixa preciso; Necessidade de baixo custo; Altas velocidades; Transferncias de pequenas e mdias cargas. Classificao pela forma de conexo: Drivers Direto e Indireto. No caso do driver direto, o motor montado diretamente na junta que ele ir mover. Se o motor montado longe da junta, prximo da base, o driver indireto; neste caso h elementos de transmisso como correntes, correias, diferenciais e engrenagens. As vantagens do driver indireto sobre o direto: 1. Reduo do peso do brao mecnico; 2. Permite mudanas na velocidade de rotao das juntas. As desvantagens do driver indireto sobre o direto: 1. Falta de preciso da operao da junta devido a liberdade mecnica dos pontos de conexo entre os dispositivos de transferncia; 2. Perdas considerveis de potncia.


O CONTROLADOR DO ROB.INTRODUOO Controlador a parte do rob que opera o brao mecnico e mantm contato com seu ambiente. O dispositivo em si composto por hardware e software, combinados para possibilitar ao rob executar suas tarefas.

Neste captulo vamos estudar: os nveis de controle do rob, a classificao temporal da programao do controlador e tipos de software para o controlador.

NVEIS DE CONTROLE DO ROB.O controle do rob pode ser dividido em trs nveis que constituem a hierarquia de controle.

Os nveis so:Controle do acionador : ou controle de cada eixo do rob separadamente. Nvel mais baixo. Controle da trajetria : ou controle do brao do rob com coordenao entre os eixos para percorrer a trajetria especificada. Nvel intermedirio. Controle de coordenao com o ambiente : o controle do brao em coordenao com o ambiente. Nvel mais alto.


Fig 1 - Relao entre os vrios nveis de controle na realizao de uma tarefa.

CONTROLE DO ACIONADORAcionadores: unidades que provocam o movimento dos eixos do rob. Cada eixo de movimento inclui, pelo menos, uma articulao, um vnculo e um acionador. Em alguns robs, os eixos incluem dispositivos de transferncia de movimento assim como unidades para identificar a posio relativa dos vnculos. Um eixo que contm tais unidades possui controle de malha fechada.

Os sinais de controle provm de um computador (quando se fala em computador, devese ter em mente que pode ser tambm um micro-controlador, ou um microprocessador) digital, ento deve passar por um conversor digital/analgico (uma vez que os Acionadores de rob geralmente trabalham com sinais analgicos). Mas isso ainda no suficiente, pois a potncia necessria para operar a unidade acionadores relativamente alta, ento usa-se um amplificador.


FIG. 2 - Sequncia de acionamento de um motor eltrico com controle de malha fechada Para se entender o conceito de malha fechada necessrio recordar o de realimentao. Realimentao consiste em se tomar uma medida do estado atual do dispositivo a ser controlado e comparar essa medida com um valor pr-definido. Essa comparao vai resultar em um erro. O controlador vai tomar as providncias necessria para que esse erro seja reduzido a zero. Um diagrama em blocos desse tipo de controle mostrado na figura 3.

FIG. 3 - Seqncia de acionamento de um motor eltrico.


Em um controle de malha fechada, no se pode medir nem corrigir eventuais erros, ento no se tem certeza se o objetivo foi atingido. Controle em malha fechada utilizado em praticamente todos os robs industriais existentes. Em um controle de malha fechada de um brao de rob, as unidades que informam sobre a posio atual dos vnculos o encoder. H um encoder presente em cada eixo a ser controlado. Existe um grande nmero de encoders, mas o mais comum o encoder rotacional tico, que composto por:uma fonte de luz (como um LED). um detector de luz. um disco perfurado que gira entre a fonte e o detector de luz. Esse disco conectado articulao do rob. Isso faz com que o detector receba pulsos de luz e transforme em pulsos eltricos. O nmero de pulsos gerados proporcional extenso de movimento e/ou ao ngulo de rotao do eixo do rob. A velocidade dos vrios eixos do rob tambm deve ser conhecida, para se prevenir flutuaes no movimento do rob. Um componente utilizado para medir a velocidade o tacmetro.

CONTROLE DE TRAJETRIACada tarefa executada por um rob pode ser considerada como uma srie de operaes, atravs das quais o atuador movido pelo brao do rob entre dados pontos e operado como programado nesses pontos.

O controle de trajetria pode ser dividido em dois mtodos: controle ponto-a-ponto e controle contnuo. Antes de descrever cada mtodo, devemos definir alguns termos:Ponto: localizao no espao em direo ou atravs do qual o atuador movido por uma operao do brao do rob. Passo: uma parte do programa operacional do rob. A cada passo, o rob executa uma atividade. Srie: uma coleo de passos que combinados formam o programa operacional do rob. CONTROLE DE TRAJETRIA PONTO-A-PONTO Neste tipo de controle, primeiramente definimos uma coleo de pontos para o rob. Ento construmos a srie e guardamos na memria do controlador. Quando rodamos a srie, o brao do rob vai se mover pelos vrios pontos, de acordo com a ordem dos passos na srie. Em cada passo o rob sabe para onde ir, mas no conhece a trajetria que traar para chegar a um certo ponto.

Robs com controle ponto-a-ponto so geralmente usados em sries onde o atuador no precisa realizar alguma funo no decorrer do movimento. Uma aplicao tpica solda em ponto. A maioria dos robs do mundo opera em controle ponto-a-ponto.

Rodrigo Bernardo Moreira CONTROLE DE TRAJETRIA CONTNUA Esse mtodo mais complexo e caro do que o ponto-a-ponto, pois o brao deve se mover por uma trajetria exatamente definida.

Os movimentos dos acionadores so coordenados pelo controlador do brao a cada instante, de tal forma que a trajetria ir se assemelhar o mximo possvel com a programada. A trajetria do rob pode ser definida por dois mtodos, como veremos:Mtodo A: Nesta tcnica, o brao do rob movido manualmente pela trajetria desejada, enquanto o controlador grava em sua memria as posies das articulaes a cada instante, atravs das informaes fornecidas pelos encoders. Quando a srie rodada mais tarde, o controlador comanda os acionadores de acordo com a informao em sua memria. O brao ento repete a trajetria precisamente. Mtodo B: Nesta tcnica, a trajetria definida por um determinado trajeto de movimento, tal como uma linha reta ou um arco passando por dados pontos. O controlador calcula e coordena o movimento a cada instante. O computador controlador deve ser mais rpido e ter mais memria do que o computador de um controle ponto-a-ponto. Robs com controle de trajetria contnua so usados em sries onde o atuador deve realizar algum trabalho enquanto o brao se move. Uma aplicao tpica pintura com spray.

CONTROLE DE COORDENAO COM O AMBIENTEO movimento de um brao de rob baseado em movimento coordenado de todos seus acionadores. As condies em que esses acionadores trabalham so diferentes. Diferem na carga, no momento de inrcia e na velocidade, por exemplo. Portanto, essas condies variveis podem exigir um diferente planejamento de controle para cada malha de controle. Em robs modernos, cada malha de controle do acionador controlada por um microcomputador. Se quisermos que o atuador se mova at determinado ponto, podemos ditar as coordenadas daquele ponto para o computador controlador que ir coordenar o movimentos das vrias articulaes. O operador no precisa se preocupar com o controle de cada eixo separadamente nem coordenar o movimento dos vrios eixos, isso funo do computador controlador.

CLASSIFICAO TEMPORAL DE PROGRAMAOUma das principais diferenas entre controladores relaciona-se com o momento em que a trajetria de movimento calculada, e com a habilidade de realizar mudanas na trajetria enquanto o brao est em movimento. Existem dois tipos de controle: programao off-line e programao e controle em tempo real.

PROGRAMAO OFF-LINENeste modo, o controlador do rob guarda a trajetria de movimento em sua memria como uma srie de pontos e os correspondentes movimentos das vrias articulaes. Enquanto o

Rodrigo Bernardo Moreira programa est sendo executado, o controlador no realiza clculos de trajetria. Ao invs disso, o controlador simplesmente l os comandos de movimento da memria que j foram previamente processados. Portanto, neste mtodo no podem ser usadas sries em que ocorrem mudanas durante a execuo do programa, tais como as que envolvem o uso de sensores. Programao off-line no necessita de computadores rpidos e complexos, por isso menos dispendiosa do que controle em tempo real.

PROGRAMAO E CONTROLE EM TEMPO REALNesta modo, o controlador recebe instrues gerais sobre a trajetria de movimento. Enquanto o brao est se movendo, o controlador deve calcular a extenso do movimento das vria articulaes a fim de se mover pela trajetria desejada. As informaes recebidas dos sensores sobre mudanas no ambiente do rob enquanto o brao se move so processadas pelo controlador em tempo real.

Controle em tempo real prefervel a programao off-line, por ser mais flexvel na sua habilidade de mudar o curso de ao enquanto uma tarefa est sendo executada. Esta flexibilidade exige um controlador mais complexo, incluindo um computador rpido o suficiente para processar a informao sem diminuir a velocidade de operao do rob.

TIPOS DE SOFTWARE PARA O CONTROLADORComo j foi dito, o controlador do rob composto de hardware e software. Este software pode ser dividido basicamente em dois componentes: software de usurio e software de controlador.

SOFTWARE DE USURIO escrito pelo operador do rob para cada srie executada pelo rob. Consiste numa coleo de pontos ao longo da trajetria e das operaes executadas nesses pontos pelo atuador. So escritos em linguagens de alto nvel.

Escrever um programa de usurio tarefa simples, qualquer um pode faz-lo com algum treino. SOFTWARE DE CONTROLADOR o software do rob que escrito pelo fabricante. o responsvel pelo processamento dos comandos do programa do usurio e pela sua converso em comandos para o rob.

O grau de sofisticao do rob fortemente determinado pelo software do controlador. Esse software em robs avanados complexo. Inclui centenas de clculos que devem ser realizados rapidamente enquanto o rob est em movimento. Se torna mais complexo a medida que os graus de liberdade aumentam.


CAPTULO 5 MTODOS PARA ENSINAR O ROB.

INTRODUO.Para realizar uma tarefa o rob e o ser humano devem passar por um processo de aprendizagem, sendo que o homem pode receber definies genricas; enquanto que para o rob necessrio subdividir a tarefa em partes simples de movimento. Para realizar as tarefas, homens e robs utilizam-se de sensores que enviam dados ao ponto central de controle (crebro para o homem e controlador para o rob), o qual toma decises enviando comandos de movimentao s partes que o realizam. O processo de realizao de uma tarefa para o homem composto de instrues simples e genricas, pois o homem capaz de tomar decises prprias durante a realizao do processo e recorrer a sua memria acumulativa de experincias j ocorridas. Para o rob necessrio que as instrues sejam bem detalhadas, pois o mesmo no capaz de tomar decises prprias (exceto quando o programao trata disto, como em programao para inteligncia artificial) o que acarretaria numa programao muito complexa. Fazer um rob movimentar uma pea de um local para outro, requer algumas pequenas rotinas como pegar a pea, levant la, mover at a outra posio, desc-la e solt-la. Alm disso necessrio inform-lo da velocidade em que estes passos de procedimento devem ocorrer. Isto faz com que procedimentos mais complexos tenham dezenas e at centenas de pequenos movimentos, o que requer um tempo muito grande de programao do processo para treinar o rob.

Neste captulo vamos estudar diferentes formas de treinar o rob a realizar suas tarefas. Vamos ver os mtodos para treinar o rob a realizar suas tarefas e realizar uma comparao entre os mtodos para treinar o rob. O captulo se encerra com uma concluso a respeito destes mtodos.

MTODOS PARA TREINAR O ROBExistem vrios mtodos para treinar o rob e, a cada dia, pesquisadores e fabricantes esto desenvolvendo novos mtodos com a finalidade de tornar o rob mais flexvel a aprendizagem de novas tarefas, simplificando o processo de treinamento. Os atuais mtodos para treinar o rob podem ser divididos em dois grupos: mtodos de ensino e mtodos de programao.

Nos mtodos de ensino h um movimento fsico do brao do rob numa srie de pontos de uma a outra posio. Dentro dos mtodos de ensino pode-se ter variaes como o mtodo de ensino por meio de chaves (teach in), ensino manual (teach-through), e ensino por sensores. Nos mtodos de programao determina-se uma srie de pontos que o brao dever percorrer, sem que o mesmo se mova fisicamente durante a programao. Nestes


mtodos de programao, caso em que no se utiliza o acionamento de sensores fsicos ou atuadores, pode-se trabalhar com: definies de coordenadas, deslocamento do sistema de coordenadas, uso de sensores de viso e apontadores e modelagem de mundo (world modeling).

MTODOS DE ENSINONos mtodos de ensino h um movimento fsico do brao do rob numa srie de pontos de uma a outra posio. Dentro dos mtodos de ensino pode-se ter variaes como o mtodo de ensino por meio de chaves (teach in), ensino manual (teach-through), e ensino por sensores.

ENSINO POR MEIO DE CHAVES - TEACH-INEste um dos mtodos mais comuns, pois o mtodo consiste de um ser humano fazendo com que o rob mova-se atravs do acionamento de botes ou chaves localizados num controle remoto (teach pendant) ou caixa de controle (teach box) em uma certa ordem; a fim de que o atuador seja movido ao ponto desejado. Ao atingir o ponto desejado gravado esta posio atravs de um boto chamado de tecla de registro. Esta posio gravada nada mais que a posio das articulaes (ngulos de rotao, trecho de extenso de juntas de deslocamento) e o estado do atuador (garra aberta ou fechada). O processo de marcar a posio realizado ao longo da trajetria, em diferentes pontos. Para isto o operador utiliza-se de um pequeno e leve controle remoto conectado ao controlador do rob por um cabo, geralmente, proporcionando ao operador uma viso total do desempenho e rea de atuao do rob. Neste processo o operador passa a operar como um sensor de controle do rob e cuja responsabilidade de garantir a perfeita realizao da tarefa; necessitando que o mesmo seja altamente treinado e especializado para realizar a operao.

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


Fig. 1 - Tipos padro de controle remoto Uma desvantagem apresentada na utilizao de controle que o operador precisa desviar ateno dos movimentos do rob a fim de localizar e acionar a tecla adequada, para tanto elimina-se este problema com a utilizao de um joystick parecido com os utilizados por pilotos de avio ou de vdeo game padro atari. As teclas de movimento so montadas no joystick de tal forma que se possa acionar uma ou mais teclas, promovendo a movimentao em vrias direes sem que seja necessrio que o operador se distraia. Na figura 2 pode-se ver um joystick que controla um rob em apenas duas direes, sendo que joysticks mais sofisticados podem controlar, juntamente, vrios outros movimentos.


Fig. 2 - Representao de um joystick para controle do rob Um outro mtodo envolve um rob adicional, chamado de mestre, caracterizado por ser uma mquina leve e no incluir motores ou dispositivos de transferncia de movimento. Seus vnculos so iguais em comprimento ao rob escravo e o rob mestre possui encoders em suas articulaes; ambos so controlados por um computador comum. O processo de ensino torna-se mais fcil, uma vez que o operador move o rob mestre sem dificuldades pela trajetria. Como a estrutura geomtrica dos robs mestre e escravo so idnticas, a trajetria realizada pelo rob mestre ser feita pelo escravo. Este mtodo usado quando no exigido um alto grau de preciso e quando difcil dividir a tarefa em uma srie de pontos individuais para criar o movimento ponto-a-ponto. A figura 3 mostra um exemplo de rob mestre-escravo sendo ensinado para realizar a tarefa de pintura automobilstica com spray.


Fig. 3 - Representao de conjunto Robs Mestre-Escravo ENSINO MANUAL - TEACH-THROUGH.O ensino manual de rob pode ser feito de duas maneiras: o ensino manual direto e o ensino manual por sensor de fora. ENSINO MANUAL (TEACH-THROUGH) DIRETO. Neste mtodo, o rob movido manualmente ao longo da trajetria desejada, e o controlador grava a posio das juntas por amostras (sampling) ou toma a leitura em um intervalo de tempo fixo; sendo que seus motores devem estar inoperantes. Este mtodo tem duas limitaes: O operador tem de vencer o peso do rob e o atrito nas juntas e engrenagens, tornando inaplicvel para robs de grande e mdio porte; onde requerida preciso. O controlador necessita de uma memria muito grande para armazenar a informao amostrada a uma taxa de 10 vezes por segundo, comprometendo a preciso do processo. Para amenizar o problema de peso do rob pode-se utilizar uma unidade de balano, a qual suporta o peso esttico do brao. ENSINO MANUAL (TEACH-THROUGH) USANDO UM SENSOR DE FORA. Este mtodo semelhante ao anterior, porm utiliza o auxlio de um sensor de fora ligado ao atuador. Quando o operador move o brao (rob) exercida uma fora no atuador, o sensor converte a fora em sinais eltricos, que ativam os motores do rob na direo fixada. A

Rodrigo Bernardo Moreira vantagem deste mtodo sobre o anterior que o operador no necessita de um grande esforo para mover o rob, podendo obter um alto grau de preciso; entretanto ainda restrito a modelos experimentais.

ENSINO POR MEIO DE SENSORES.Neste mtodo os sensores auxiliam o operador no direcionamento do rob ao longo da trajetria atravs de transmisso de informaes ao controlador. Com isso torna-se mais caro que os outros mtodos uma vez que utiliza equipamentos mais sofisticados. Contudo os sensores so utilizados somente durante o processo de aprendizagem, uma vez que na execuo da tarefa no sero afetados pela interferncia do rob. Com a utilizao dos sensores h uma diminuio do tempo e da fora necessria para ensinar o rob a realizar as tarefas.

MTODOS DE PROGRAMAO.Consiste no movimento do rob atravs da trajetria fixada para o controlador sem mover o atuador, no necessitando para tanto o movimento ponto a ponto. Os mtodos de programao podem ser divididos em quatro grupos, como: Definio de coordenadas pelo computador; Deslocamento do sistema de coordenadas; Uso de sensores de viso e apontadores; Modelagem de mundo.

DEFINIO DE COORDENADAS PELO COMPUTADOR.O controlador pode receber informaes sobre uma srie de pontos que o atuador passar e que armazenado na memria, sem que o atuador mova-se; determinando a trajetria desejada durante o processo de aprendizagem. Este mtodo usado na maioria dos robs e prov a base da programao OFF-LINE. Por exemplo, uma tarefa pode ser definida como uma srie de nmeros, como 2,3, 4 e 5, 6, 7, e ao executar a tarefa o rob move o atuador para a coordenada x=2; y=3 e z=4; movendo-se em seguida para a coordenada x=5; y=6; z=7. Procedimento este a ser explicado posteriormente. A habilidade para definir o movimento especificado pelas coordenadas para o controlador do rob a base para os mtodos de aprendizagem.

DESLOCAMENTO DO SISTEMA DE COORDENADAS.Este mtodo de programao aplicvel em rob que executam tarefas idnticas em duas ou mais clulas de trabalho ou estaes nas quais o rob realiza alguma tarefa. O rob instrudo a executar a tarefa em uma das clulas, atravs da definio de uma srie de pontos ao controlador do brao. O sistema de coordenadas transladado a uma segunda clula de forma que a tarefa seja copiada. Como mover o sistema de coordenadas? Na figura 4 exemplificado uma situao em que o rob realiza furos em chapas metlicas em duas estaes. Enquanto fura-se na estao A, na B retirada a placa furada. Quando termina na A vai para a B e a chapa A trocada por outra nova. Como a tarefa realizada a mesma em ambas as estaes basta ensinar as furaes em uma placa e adicionar os deslocamentos no sistema de coordenadas existente.


Fig. 4 - Representao de rob utilizando-se de Sistema de Coordenadas Para este exemplo a mudana de 11 unidades no eixo x e 6 unidades no eixo y, que podemos definir como: XB = XA + 11 YB = YA + 6 Com este novo sistema de referncias possvel que o rob execute o mesmo procedimento na estao B como havia realizado na A, uma vez que houve correo na referncia inicial. necessrio ensinar ao rob um grande nmero de pontos para que realize as furaes, alm dos pontos de referncias inicias. Este mtodo extremamente eficiente quando deseja se aumentar produo com garantias de repetitividade e qualidade, bastando utilizar localizaes diferentes. USO DO SENSOR DE VISO E DO APONTADOR.Para definir a programao das coordenadas da trajetria do rob necessrio conhecer todos os valores numricos das coordenadas dos pontos, sendo que nem sempre isto possvel, pois ou so desconhecidos ao usurio ou sua medio envolve um grande esforo. A fim de melhorar o desempenho utilizado um sensor de viso com um auxlio de um apontador. Neste mtodo utiliza-se um estreito feixe de luz ou um apontador para indicar os pontos da trajetria. Um sensor de viso semelhante a uma cmara acha a localizao das marcas de luz,

Rodrigo Bernardo Moreira guardando estas posies na memria. Uma outra aplicao deste mtodo envolve uma tela de monitor para mostrar o campo de operao do rob que ao ser tocado por uma caneta ptica no ponto desejado grava esta posio na memria; o que torna sua utilizao mais simples e podendo ocorrer erros dependendo da preciso da tela. Por isso no so sistemas muito utilizados.

MODELAGEM DE MUNDO.Este um mtodo avanado e experimental que possibilita que uma tarefa seja aprendida sem estar dividida em movimentos individuais, operando com definies de tarefas genricas; como "traga o copo" ou "monte a pea". Para isto o formato dos objetos localizados dentro do campo de trabalho so armazenados na memria e o controlador onde cada item est localizado, assim como sua orientao dentro do espao e como mant-lo na seqncia para manipul-lo com segurana. armazenado tambm sries de movimentos individuais, as quais so componentes de uma tarefa. Com a facilidade de treinamento do rob atravs de definies genricas o custo necessrio para sua utilizao engloba computadores de alta velocidade de processamento e grande quantidade de memria, alm de sofreares avanados; fazendo com que o mtodo esteja em estgio atual de desenvolvimento.

COMPARAO DOS MTODOS DE ENSINO E MTODOS DE PROGRAMAO.As vantagens do mtodo de ensino so: 1. Pode-se ter certeza de que o brao atinge um ponto desejado, mesmo que o peso da carga flexione o brao do rob; o que no pode ser previsto no mtodo de programao, pois no se sabe qual o desvio do atuador. 2. No est sujeito a imprecises na definio de coordenadas dos pontos, ocorrendo o inverso no mtodo de programao. As vantagens do mtodo de programao so: 1. Poupam tempo e esforo e, no necessrio a retirada do rob da linha de produo para ensinar uma nova tarefa. 2. Pode-se transferir a outros robs as coordenadas de uma tarefa aprendida, mesmo com estruturas diferentes. Os robs ainda tem um longo caminho at atingir a preciso que gostaramos, como desenvolvimento para manter a posio do brao independente da carga, modos de prevenir colises do brao com objetos na trajetria. Ocorrendo tais desenvolvimentos pode-se antecipar que os mtodos de programao iro prevalecer como principais tcnicas de ensino dos robs.

CONCLUSO.Atravs do texto tratado neste captulo, podemos notar que existem muitos mtodos para ensinar os robs a aprender novas tarefas e, que em cada caso, devem ser adequadas as

Rodrigo Bernardo Moreira possibilidades de execuo por parte do rob; alm da qualificao profissional para manuseio deste mesmo rob. vlido lembrar que a todo momento so desenvolvidos novos mtodos, os quais tornam essa tarefa de aprendizado mais fcil. O custo-benefcio da aplicao de determinado tipo mtodo deve levar em considerao custo, tipo de rob, quantidade de produo, quantidade de robs, especializao profissional, etc. Com isso pode-se obter o ponto timo de utilizao do rob e conseqentemente, do mtodo de aprendizagem.

Os mtodos de programao tem algumas vantagens que em nosso momento atual fazem com que os mesmos se sobressaiam aos mtodos de ensino e, cuja viso futura de ensinar os robs exclusivamente por programao; havendo raras excesses. Os mtodos de se ensinar rob podem ser aplicados a todos os robs e podemos notar que pode ser empregado em linhas de montagem, pintura de automveis, tornos, fresadoras, centros de usinagem, linha de empacotamento, auxlio a pessoas deficientes, dentre outras.


CAPTULO 6 ATUADORES

INTRODUOO atuador (end effector) todo um sistema montado na extremidade do vnculo mais distante da base do rob, cuja tarefa agarrar objetos, ferramentas e\ou transfer-las de um lugar para outro. So exemplos de atuadores a pistola de solda, garras e pulverizadores de tintas. A operao do atuador o objetivo final na operao de um rob, assim todos os demais sistemas (unidades drives, controles, etc.) so projetados para habilitar sua operao. O atuador de extrema importncia na execuo de uma tarefa, portanto necessrio que o mesmo seje adequadamente projetado e adaptado as condies do seu meio e rea de trabalho. Existem dois tipos de atuadores: Garras e Ferramentas. Neste captulo vamos apenas estudar as garras, sendo que os diferentes tipos de ferramentas vo ser vistos mais frente, no captulo de aplicaes, j que as ferramentas so especficas para cada tipo de aplicao.

ATUADORES TIPO GARRAA garra comparvel a mo humana. No entanto, ela no capaz de simular seus movimentos, resultando na limitao dos movimentos a uma faixa de operaes. A grande demanda tem levado ao desenvolvimento de garras que podem manusear objetos de diferentes tamanhos, formas e materiais. Estas garras so divididas em vrios tipos de classe: Garra de dois dedos; Garra de trs dedos; Garra para objetos cilndricos; Garra para objetos frgeis; Garra articulada; Garra a vcuo e eletromagntica, Adaptador automtico de garras.

Garra de dois dedos: o tipo mais comum e com grande variedade. So diferenciados um do outro pelo tamanho e/ou movimento dos dedos, como o movimento paralelo mostrado na figura 1 ou o movimento de rotao mostrado na figura 2. A principal desvantagem desta garra


a limitao da abertura dos seus dedos, restringindo, assim a sua operao em objetos cujo tamanho no exceda esta abertura mxima.

Fig. 1 - Garra de movimento paralelo


fig. 2 - Garra com movimento de rotao

Garra de trs dedos:So similares aos de dois dedos, porm permitem uma segurar objetos de forma circular, triangular e irregular com maior firmeza. Os dedos so articulados e formado por diversos vnculos, como mostra a figura 3, abaixo.


fig. 3 - Garra de trs dedos

Garra para objetos cilndricos:Consiste de dois dedos com vrios semicrculos chanfrados (ver figura 4), que permitem a garra segurar objetos cilndricos de vrios dimetros diferentes. As principais desvantagens so: O seu peso que deve ser sustentado pelo rob durante a operao; A limitao de movimentos causada pelo comprimento da garra.


fig. 4 - Garra para objetos cilndricos

Garra para objetos frgeis:So garras prprias para exercer um certo grau de fora durante a operao de segurar algum corpo, sem causar algum tipo de dano ao mesmo. Ele formado por dois dedos flexveis, que se curvam para dentro, de forma a agarrar um objeto frgil; seu controle feito por um compressor de ar. Veja a figura 5.


fig. 5 - Garra para objetos frgeis

Garra articulada:So projetados para agarrar objetos de diferentes tamanhos e formas. Os vnculos so movimentados por pares de cabos, onde um cabo flexiona a articulao e o outro a estende. Sua destreza em segurar objetos de formas irregulares e tamanhos diferentes se deve ao grande nmero de vnculo, conforme mostra a figura 6, abaixo.


fig. 6 - Garra articulada

Garras a vcuo e eletromagnticas:Garras a vcuo so projetados para prender uma superfcie lisa durante a ao do vcuo. Estas garras possuem ventosas de suco conectadas a bomba de ar comprimido, que predem superfcies como chapas metlicas e caixas de papelo. Para reduzir o risco de mal funcionamento devido a perda de vcuo, comum usar mais do que uma ventosa de suco. A figura 7 ilustra este tipo de garra.


fig. 7 - Garras a vcuo Garras eletromagnticas so utilizados para segurar objetos que podem ser magnetizados (ao e nquel) atravs de um campo magntico. Estes objetos devem possuir um lugar especfico na qual a garra passa atuar. Ambos os tipos de garras descritos acima so muito eficientes, uma vez que eles podem segurar objetos de vrios tamanhos e no necessitam de grande preciso no posicionamento da garra.

Adaptador automtico de garra:Surgiu da necessidade de se ter uma garra capaz de segurar todos os tipos de objetos. Ento foi criado uma unidade chamada de automatic gripper changer, que um adaptador que permite que uma garra seja rapidamente ligada ou removida do brao do rob. Restries: Os adaptadores devem ser ligados ao brao do rob de um mesmo modo e deve conectar de maneira idntica suas unidades de drive, se eltrica, mecnica ou pneumtica. Desvantagens: 1. O peso adicional na extremidade do brao do rob;


2. Complicaes tecnolgicas so uma fonte potencial de mal funcionamento; 3. Acrscimo no custo do rob; 4. Tempo gasto na troca das garras. Diante destes fatos verifica-se que o desenvolvimento e produo de garras um estgio importante no projeto de robs para tarefas particulares. Normalmente, os fabricantes vendem robs sem o atuador, as garras e as ferramentas so escolhidas e adaptadas pela equipe de engenharia que instala o rob no local de trabalho. Este um estgio crtico da instalao, requerendo um alto nvel de conhecimento e prtica.


CAPTULO 7 Subsistemas em Ao - Executando uma tarefaINTRODUONeste captulo descreveremos como as operaes dos vrios subsistemas que compem um rob so integrados durante sua operao. Para ilustrar isto, especifica-se uma tarefa para o rob e acompanha-se a operao destes vrios subsistemas durante a execuo da tarefa. O trabalho se realiza em duas fases: aprendizado da tarefa e execuo da srie de comandos da tarefa.

APRENDIZADO DA TAREFAA tarefa em questo a construo de uma torre com 3 blocos de diferentes tamanhos (figura 1). A posio dos blocos antes da montagem da torre especificada, juntamente com a instruo de que a torre para ser construda sobre o bloco 1 em sua posio atual.


Fig. 1 - Tarefa: construir uma torre com trs blocos de tamanhos diferentes Os comandos necessrios para a colocao de um bloco sobre o outro so ilustrados pela figura 2.: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. V para o ponto 1; V para o ponto 2; Feche a garra (para levantar o bloco); V para o ponto 3; V para o ponto 4; V para o ponto 5; Abra a garra (para colocar o bloco); V para o ponto 6;


Fig. 2 - Colocao do bloco 2 sobre o bloco 1: posies asssumidas Os pontos 2 e 5 so aqueles nos quais o rob efetua uma operao sobre o bloco, portanto, muito importante que a garra esteja precisamente localizada nestes pontos em questo. Os pontos 1, 3, 4 e 6 no exigem tal preciso, porque nenhuma operao executada neles, deste modo a preciso da posio da garra nestes pontos no importante. Eles esto includos na trajetria apenas para criar o movimento vertical requerido para abaixar e levantar a garra. Os movimentos verticais so importantes para evitar que a garra danifique os blocos durante o movimento. Estes pontos so chamados de "dummy points" ou "via points". Colocando o Bloco 2 sobre o Bloco 1: ensina-se o rob a ir nos pontos mostrados na figura 2, pressionando chaves de um "manual teach pendant". Quando o rob alcana o ponto desejado, a chave de gravao pressionada; o controlador ento gravar em sua memria a posio de cada articulao (ngulo, alcance do vnculo) do brao do rob, assim como o estado da garra (aberto ou fechado). A velocidade tambm definida para cada ponto. No fim do estgio de aprendizado, o controlador ter armazenado em sua memria 8 linhas de dados, uma para cada comando de movimentos. Ele memorizar a posio de cada articulao, o estado da garra e a velocidade. Na figura 2, o rob movimenta somente 3 juntas - base joint, shoulder joint e elbow joint. A srie de


comandos armazenados na memria do controlador provavelmente apresenta o aspecto representado pela tabela 1. Tabela 1 - Valores das variveis de rob para colocar o bloco 2 sobre o bloco 1

ngulo Comando 1 2 3 4 5 6 7 8 Obs: Base joint 10 10 10 10 0 0 0 0

ngulo Shoulder joint 70 60 60 70 40 35 35 40

ngulo Elbow joint 110 95 95 110 150 145 145 150

Estado da Velocidade Garra 0 0 1 1 1 1 0 0 15 5 5 15 5 5

1. Os nmeros acima servem somente para ilustrao. 2. Estado da garra ( 0 = aberto e 1 = fechado). 3. A alta velocidade reduz a preciso da trajetria, portanto usado somente entre dois dummy points onde a preciso da trajetria no relevante. E a baixa velocidade usado para pontos prximos a um objeto ou quando efetuar um movimento de operao sobre um objeto. Colocando Bloco 3 sobre Bloco 2: A trajetria necessria para colocar o bloco 3 sobre o bloco 2 ser ensinado pela definio das coordenadas cartesianas dos pontos ao longo da trajetria para o controlador do brao do rob, como mostra a figura 3. A definio dos pontos ser feita pela programao Off-Line, portanto, deve-se definir as coordenadas dos pontos ao longo da trajetria com grande preciso - particularmente o ponto no qual o rob agarra o bloco 3 e o ponto onde o bloco 3 colocado sobre o bloco 2. A srie de comandos armazenados na memria semelhante ao apresentado na tabela 2.


Fig. 3 - Colocao do bloco 3 sobre o bloco 2: posies asssumidas Tabela 2 - Valores das variveis de rob para colocar o bloco 3 sobre o bloco 2

Estado da Comando 9 10 11 12 13 14 15 16 X 9 9 9 9 11 11 11 11 Y 0 0 0 0 5 5 5 5 Z 16 1 1 16 16 17 17 16 Garra 0 0 1 1 1 1 0 0 Velocidade 15 5 5 15 5 5

Este estgio completa o processo de aprendizado da tarefa. A srie foi armazenada na memria do controlador, e ser chamada sempre que se quiser execut-la.


EXECUO DA SRIE DE COMANDOS DA TAREFAO passo seguinte ao processo de memorizao da tarefa o de execuo da srie de comando. O operador instrui o controlador a executar a srie, pelo nome atribudo a ela. O controlador por sua vez recebendo esta instruo para executar a srie, acessa sua memria para chamar a primeira linha do programa (que indica os ngulos das juntas (10, 70, 110), o estado da garra (0) e a velocidade (15). Antes de iniciar qualquer movimento, o controlador "l" a posio das juntas do rob, atravs do encoder e calcula a diferena entre a posio ditada pelo comando 1 e a posio atual. Desta maneira o controlador move o brao para a posio indicada pelo comando 1. Sempre que o controlador reconhece que os valores desejados das juntas do rob no so iguais aos valores atuais, ele emite um comando de movimento, na forma digital. Este sinal digital convertido para um sinal analgico equivalente por um conversor Digital/Analgico (D/A). O sinal analgico amplificado por um amplificador de drive para ativar uma unidade de drive. As unidades de drives, por sua vez, movimenta as juntas diretamente ou por meio de engrenagens, eixos e correias (indirect drive). Os movimentos combinados das juntas criam o movimento do brao, para mover o atuador ("end effector") para o ponto desejado. Quando os comandos de 9 a 16 so executados (ver tabela 2), o controlador deve primeiro transformar as coordenadas cartesianas listadas em seu programa para a varivel de juno apropriada. Aps a traduo, seguem-se os mesmos passos descritos acima. A traduo da posio das coordenadas cartesianas para ngulos das juntas deve ser executado pelo controlador para cada movimento para um novo ponto. Em trajetrias formadas de movimentos de linha reta entre dois pontos, os clculos de traduo so executados muitas vezes durante o movimento. Uma parte importante do processo de controle do rob a regulao da velocidade do brao. No momento em que o atuador se aproxima do ponto em que deve parar, a velocidade ser reduzida progressivamente at zero, pois, uma para repentina causaria uma trepidao, que reduziria a preciso de operao do rob. Atualmente os robs industriais apresentam um controle de velocidade automtica; quando o atuador se aproxima de uma certa distncia do ponto em que deve parar, como definido pelo software, ocorre uma lenta e gradual reduo da velocidade at a parada total no ponto desejado. Os robs no so fatores isolados nas indstrias. Ao contrrio, eles so componentes integrados das clulas de trabalho, no qual eles podem executar operaes de produo ou realimentar outras mquinas.


CAPTULO 8 Aplicaes de Robs na Indstria.Introduo.Como j tem sido mencionado nos captulos anteriores, os robs vem sendo aplicados na indstria em uma crescente variedade de funes, as quais se mostram perigosas, entediantes e fisicamente difceis demais para serem realizadas por seres humanos. Neste captulo, sero descritas as mais comuns aplicaes industriais envolvendo robs, onde, em cada exemplo, sero discutidos o processo onde o rob integrado e a sua adaptao tarefa a ser executada. Os principais pontos aqui discutidos so: as principais categorias de robs, os principais tipos de aplicaes, caractersticas indispensveis do rob, caractersticas auxiliares e estgios da seleo de robs para aplicaes industriais.

Principais Categorias.No quadro a seguor, pode-se observar as principais categorias de aplicao de robs na industria, bem como as suas capacidades e principais benefcios gerados pelo seu uso, principalmente em clulas de trabalho ( ou de produo).


Em 1981 foram feitas estimativas, baseadas na situao das indstrias dos EUA na poca, sobre a distribuio dos robs dentro do conjunto de principais aplicaes. O qudro a seguir ilustra essa pesquisa. Quadro 2: Uso de robs nos EUA por aplicao

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

Tipos de Aplicaes.


Descreve-se a seguir algumas das principais aplicaes dos robs na indstria: Carga e Descarga de prensa, Fundio em Molde, Carga e Descarga em Mquinas de Ferramenta, Solda a Ponto, Solda em Arco, Pintura a Spray, Montagem, Acabamento.

Carga e Descarga em PrensaO processo de prensagem uma operao usada para dar forma e remodelar peas. A pea de trabalho posicionada em uma prensa, a qual exerce uma presso externa sobre a mesma, ou mesmo remove pores dela a fim de obter dela uma nova forma. A transferncia de presso da prensa para a pea de trabalho realizada por um molde especial chamado matriz, na qual a pea colocada para assumir a sua forma. Normalmente, a pea passa por um nmero variado de operaes de prensagem at receber sua forma final. A figura 1 mostra uma tpica clula de trabalho para uma operao de prensagem, onde o rob pega a pea bruta do alimentador de peas e posiciona-a na prensa. Na figura 2 o rob transfere a pea da prensa para correias transportadoras ou pallets, onde as peas acabadas so armazenadas. A figura 3 mostra um esquema, visto de cima, de um sistema de prensa semelhante. Os robs utilizados nesse processo possuem movimentos simples e trajetria no muito importante, realizando funes do tipo "apanhar e colocar", sendo assim do tipo "primeira gerao". No entanto, para diminuir o tempo gasto no processo e facilitar a tarefa realizada, usa-se um brao com duas garras, uma para fase de carregamento e outra para fase de descarga sobre correia transportadora ou pallets.

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


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

Fig. 3: Vista plana superior de um sistema de prensa. Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg115

Os benefcios da integrao do rob ao processo de prensagem so: 1. 2. 3. 4. reduo de mo-de-obra; aumento de produtividade; significativa diminuio de acidentes; melhoria nas condies de trabalho dos seres humanos, que passam a supervisionar a produo das mquinas.

H, no entanto, inmeros problemas nessa integrao do rob ao processo, basicamente em casos onde o sistema falha, como por exemplo quando a matria-prima termina ou quando a pea fica presa na matriz e o rob no capaz de extra-la. Um meio utilizado para superar isso o uso de sensores simples no brao do rob, os quais informaro ao


controlador do rob a existncia desses problemas, paralisando ento o mesmo e alertando o sistema supervisor.

Fundio em Molde.Esta operao realizada pela injeo de uma matria em sua temperatura de fuso dentro de um molde especial, ou matriz. Dentro da matriz, o material esfria e solidifica, tomando a forma do molde. A matriz ento aberta par se extrair a pea fundida j endurecida. A pea pode passar por uma prensa na sequncia do processo para obter acabamento antes de ser armazenada em pallets. O Material do molde deve ter um ponto de fuso mais alto que o da matria-prima, a qual geralmente plstico, chumbo ou alumnio. Alguns processos de fundio incluem a insero de pores de outros materiais poro fundida com a finalidade de aumentar a capacidade mecnica do produto final.

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

A figura 4 mostra uma clula de trabalho de fundio, com um rob atendendo uma mquina de fundio e uma prensa. Para evitar um mau funcionamento, o controlador do rob conectado matriz da mquina de fundio e prensa. Ele supervisiona a durao das vrias operaes, para manter o sincronismo dentro da clula.

Carga e descarga em Mquinas de Ferramenta.


Mquinas de Ferramenta so aquelas que realizam processos de usinagem de peas, como por exemplo torneamento, desbaste, moagem, etc. Antes da integrao de robs no processo, a introduo de dispositivos CNC (Comando Numrico por Computador) reduziu a necessidade de operadores hbeis em usinagem para a realizao apenas das atividades de carga e descarga das mquinas. Durante muito tempo, o uso de robs nessa atividade ficou reduzido por acreditar-se terem custos muito elevados. Com os dispositivos CNC passando a realizar atividades de ajuste de parmetros das mquinas, de acordo com o processo envolvido, e troca de ferramentas das mquinas, o rob veio, aps provar ter uma relao tima custo-benefcio, a ocupar a posio de carga e descarga das mquinas, deixando o ser humano com a funo de superviso e reparos em peas danificadas. Assim, o rob passou a ser integrado como parte de clulas de trabalho, servindo vrias mquinas de ferramentas, pallets e outras unidades auxiliares de transporte. A figura 5 mostra uma clula de trabalho (ou de produo) com rob atuando sobre dois tornos e um moinho.

Fig. 5: Clula de Produo com rob atuando sobre MF's. Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg120

Para empregar-se robs no processo de carga e descarga de algumas mquinas de ferramenta, todas as operaes, do rob e das mquinas, devem ser precisamente temporizadas. Para isso, a estao de trabalho projetada para permitir o posicionamento de todas as mquinas, alimentadores e pallets dentro da rea de atuao (ou de trabalho) do rob, com um planejamento de todos os movimentos para se evitar colises com equipamentos vizinhos. Os robs mveis so capazes de alcanar e servir um grande nmero de mquinas. Dessa maneira, para facilitar a operao, robs so instalados em trilhos suspensos, ao longo dos quais eles se movem, de mquina para mquina. Um exemplo desse tipo de instalao mostrado na figura 6.


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

Solda a Ponto.O processo de solda a ponto difcil , montono e requer um alto grau de preciso. Assim, os robs se mostram ideais para serem integrados a esse tipo de processo, visto que seus movimentos so altamente precisos e capazes de alcanar posies difceis, sem danificar as partes ou peas envolvidas. A flexibilidade das estaes de trabalho com robs, permitindo a armazenagem de diversos programas de solda para diferentes empregos de produo, vem a ser um importante ponto de motivao da integrao de robs no processo de solda a ponto. O processo de solda baseado num fluxo de corrente alta entre dois eletrodos e atravs de dois pedaos de metal a serem unidos. Quando a corrente flui, um grande calor gerado no ponto de contato. A presso dos eletrodos mantida por um curto tempo aps a corrente cessar seu fluxo, a fim de manter as partes de metal juntas enquanto o ponto onde se realizou a solda resfria e se solidifica. Os eletrodos no sofrem fuso durante o fluxo de corrente devido a um fluido que flui atravs deles. A figura 7 mostra dois tipos de garras (pistolas) de solda e demonstra o processo de solda a ponto de duas partes metlicas.


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

A figura 8 mostra uma aplicao de ponto de solda na indstria automotiva. Ela mostra um carro entrando no trilho de uma clula de trabalho composta por vrios robs, de ambos os lados da linha, com a funo de realizar centenas de diferentes pontos de solda no corpo do carro, em minutos. Hoje em dia, a indstria automotiva utiliza mais robs que qualquer outro tipo de indstria, desempenhando vrias funes, como soldagem, pintura e operaes na linha de montagem, possuindo cerca de 30% dos robs em operao no mundo. Os robs que realizam solda a ponto executam movimentos complicados, tais como seguir contornos de peas e alcanar pontos inacessveis sem danificar as peas que esto sendo soldadas. Desta forma, muitas aplicaes de solda utilizam robs com 6 GDL (graus de liberdade) - trs para posicionamento e trs para orientao ou postura em relao pea. Embora os movimentos necessrios aos robs de solda a ponto sejam complicados, o nico ponto que requer uma grande preciso o ponto onde a solda ocorre de fato, sendo assim possvel a utilizao de controle ponto-a-ponto durante a trajetria do rob entre os pontos de solda. Para se evitar colises entre o rob e as peas que esto sendo soldadas durante o movimento deste entre dois pontos de solda, o rob instrudo com um grande nmero de posies pelas quais ele deve passar no seu percurso at o prximo ponto de solda. O ensino de tarefas de solda a ponto um processo complicado. O rob deve ser manualmente transportado atravs de cada um dos centenas de pontos de solda, devendo ser posicionado com uma preciso de +/1mm. Como, em solda a ponto, os eletrodos devem estar perpendiculares s peas, essa preciso se mostra ainda mais difcil de ser atingida.


Fig.8: Desenho de uma linha de produo automotiva realizando um conjunto de soldas a ponto. Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 397

Numa linha de montagem automotiva, vrios modelos diferentes so produzidos, cada qual com diferentes sries de pontos de solda, tornando o processo de ensino dos robs envolvidos na realizao dos pontos de solda dos carros muito longo e cansativo. Esse processo pode ser simplificado utilizando-se softwares capazes de alterar a orientao de uma pistola de solda sem alterar sua localizao no espao. Assim, permite que o atuador do rob, ou seja, a pistola de solda (mostrada na figura 9), seja trazido ao local desejado e ento realizar a orientao desejada sem ter de corrigir as posies de suas juntas.

Fig.9: Pistola de solda a ponto da Milco Manufacturing Company. acoplada ao brao do rob. Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 399


As operaes do processo de solda a ponto, integrando o rob, so: movimento rpido do brao do rob, com a pistola de solda fixa, para se aproximar do ponto a ser soldado; aproximao dos eletrodos da pistola de solda ambos os lados da parte a ser soldada e posicionamento destes exatamente em frente ao ponto de solda; fixao dos eletrodos ao ponto a ser soldado; envio de corrente eltrica atravs dos eletrodos e do material a ser soldado; espera; abertura dos eletrodos; movimentao do brao do rob para se aproximar do novo ponto de solda.

As principais vantagens envolvidas no uso de robs em pontos de solda so: 1. melhor qualidade da solda; 2. posicionamento preciso das soldas, assegurando resistncia; 3. economia de mo-de-obra e tempo.

As principais desvantagens so as falhas que podem ocorrer no processo devido deteriorao fsica dos eletrodos e ao tedioso processo de ensino.

Solda em Arco.A solda em arco um processo usado para se unir duas partes de metal ao longo de uma rea de contato contnua. Nele, as duas partes de metal so aquecidas ao longo da rea de contato at o metal fundir-se; ao esfriar-se, o metal fundido se solidifica, unindo as duas partes. Para criar uma corrente eltrica, dois eletrodos com diferentes potenciais, alimentados pelo equipamento de solda, so necessrios. A pistola de solda em arco tem apenas um eletrodo, com o objeto a ser soldado servindo como segundo eletrodo. Esse tipo de pistola tambm usada em alguns raros casos de solda a ponto. Os objetos de metal so aquecidos por uma corrente eltrica, que flui atravs dos eletrodos na pistola de solda e atravs de um vo de ar para o objeto sendo soldado. Quando se usa um rob para realizar uma solda em arco, a pistola de solda fixada como atuador do mesmo e o eletrodo alimentado atravs de um cabo condutor paralelo ao brao do rob. A pistola de solda tambm dispersa um gs especial para prevenir a rea aquecida contra a oxidao, o que iria prejudicar a qualidade da solda. O processo de solda em arco necessita do uso de robs de alta qualidade com softwares sofisticados, capazes de realizar as seguintes operaes: rpido movimento para a rea de contato a ser soldada; transmisso de sinais para causar a disperso do gs e aplicao de tenso ao eletrodo;


movimento preciso ao longo do caminho de solda enquanto mantm um constante vo de ar; preservar constante a orientao do eletrodo em relao superfcie a ser soldada; manter a pistola de solda se movendo a uma velocidade constante; habilidade para realizar movimentos de "tecelagem", para se atingir uma boa juno entre os dois corpos de metal e garantir a qualidade da solda. Para se encontrar os requisitos acima, o processo desolda em arco necessita de robs com as seguintes caractersticas: 1. cinco a seis graus de liberdade; 2. controle de trajetria contnua, para mover-se exatamente ao longo da trajettia de solda e regulagem de velocidade. 3. alta repetibilidade. A figura 10 mostra um brao de rob realizando uma operao de solda em arco.

Fig.10: Rob da Aronson Machine Company (Modelo CMB2) realizando uma solda em arco. Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 416

Os problemas resultantes da adaptao do rob solda em arco incluem: - o uso do mtodo "TEACH-IN" na solda em arco um processo complicado, especialmente no caso de trajetrias curvas; o ensino de solda em arco por meio de mtodos "TEACH- THROUGH" de difcil realizao para o indivduo que move o brao manualmente ao longo da trajetria; quando os corpos so aquecidos, ocorrem distores causando um ligeiro deslocamento da linha de unio durante o processo de solda, o que pode ser significativo em soldas longas onde o calor no dissipado rapidamente da rea de solda.


O uso de um sensor para identificar a linha de unio entre as partes pode solucionar esses problemas, eliminando o estgio de aprendizado. Assim, o sensor guia o brao do rob e seu atuador (a pistola de solda) ao longo da linha de unio atravs da luz e do calor gerados no processo. A figura 11 mostra uma estao de trabalho de solda em arco, mostrando componentes como "jigs" e "mesa giratria indexada", usados para dar preciso ao posicionamento das partes a serem soldadas.

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

Em suma, as principais vantagens do uso de robs em solda em arco so: - melhora da qualidade da solda em relao quela realizada pelo ser humano; 1. reduo de horas de trabalho, especialmente quando a solda feita numa curta trajetria; 2. reduo de custos, devido pouca utilizao de mo-de-obra altamente especializada; 3. habilidade de trabalho contnuo, uma vez que os operadores humanos devem descansar ocasionalmente, devido s condies difceis de trabalho. 4. melhoria das condies de trabalho do ser humano, que deixam de trabalhar em altas temperaturas e de usar mscara e roupas protetoras.


Pintura a Spray.O uso de robs na pintura a spray consiste na fixao de uma pistola de tinta spray ao atuador do rob. Tem como caractersticas principais: 1. controle de trajetria contnua; 2. movimentos rpidos; 3. baixa repetibilidade: ensinado pelo mtodo "TEACH-THROUGH" ou pelo mtodo "MASTER-SLAVE". Na aplicao de tinta spray, a flexibilidade dos robs se torna evidente, os quais podem armazenar um programa especfico para cada tipo de parte a ser pintada. Muitos robs utilizados nessa aplicao no possuem sistema de sensoreamento. Isso porque a parte a ser trabalhada posicionada a uma dada distncia e direo da base do rob, podendo ser realizado em objetos parados ou em movimento. No caso de objetos estticos, o rob comea a operao apenas depois de receber um sinal confirmando que a parte a ser pintada est corretamente posicionada. Quando trabalhando com objetos mveis, os robs recebem sinais do trilho usado para transportar as peas, sinais estes que continuam sendo emitidos enquanto a pea estiver em movimento, atualizando o rob acerca da distncia e da direo da pea em relao base. As figuras 12 e 13 mostram robs realizando pinturas a spray.

Fig.12: Robs de Pintura numa linha de Produo Automotiva. Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 392


Fig.13: Rob atuando num arranjo de partes suspensas. Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg.132

As principais vantagens da integrao de robs ao processo de pintura a spray so: 1. rpido retorno de investimento; 2. melhoria das condies de trabalho do ser humano. Os principais problemas so: a necessidade de proteger os robs de fumaa e sujeira; a necessidade de se isolar qualquer fasca eltrica produzida ao redor do rob durante sua operao, devido ao ambiente de pintura ser altamente inflamvel. a necessidade de coordenao entre os movimentos do rob e a localizao das partes a serem pintadas; o fato de que algumas operaes com pintura a spray envolvem reas de difcil alcance. Em algumas aplicaes, os robs devem ter mais que seis graus de liberdade para superar obstculos e alcanar reas distantes.

Montagem.Montagem significa pegar peas separadas, coloc-las juntas e ento un-las. Na montagem pode se exigir o uso de garras e ferramentas especiais. Por exemplo, os robs poderiam executar tarefas de montagem - primeiro usando garras para trazer peas e coloc-las em um lugar - e, em seguida, usar ferramentas especiais para fix-las, como rebitadeiras ou grampeadores.


Os robs que atuam nestas operaes so de grande importncia pois aproximadamente 40% do custo da mo de obra vem da montagem. As operaes de montagem que envolvem os robs no so muito simples, mas so relevantes devido principalmente a reduo de custos da produo. Para alguns problemas devem ser representadas solues, tais como: alto grau de preciso e repetibilidade no posicionamento do atuador; movimentos em linhas precisas, mantendo fixa a orientao do atuador; troca automtica de atuador ou uma garra verstil; movimentos rpidos do brao do rob. A preciso teve ser mantida na orientao do atuador para assegurar que a parte montada est segura com o ngulo correto, o que no fcil de se obter. Em muitas operaes de montagem elementos de diferentes tamanhos e formas e so montados num elemento central. De tal forma que o atuador do rob deve ser capaz de manusear objetos assimtricos ou mudar as garras no meio de uma operao. Para isso pode-se usar um trocador de ferramentas automtico, que muito recomendvel em casos onde um elemento trabalhado pelo rob ao invs de simplesmente manuseado, como numa chave de fenda automtica. As velocidades empregadas podem ser maiores do que as requeridas na maior parte das aplicaes industriais podendo ser comparadas s de montagens manuais. Robs mais rpidos reduzem o tempo de montagem, entretanto, o movimento do brao durante a montagem no podem ser feito em velocidades mximas, pois implica em perda de preciso. Os mtodos de montagem se dividem em duas categorias: 1. montagens na direo vertical; 2. montagens em diferentes direes. A primeira requer robs cartesianos, cilndricos ou articulados horizontalmente com quatro ou cinco graus de liberdade. No Japo utiliza-se ao invs de apenas um rob para executar muitas tarefas, vrias mquinas com um a trs movimentos, o que desvantajoso apenas pela perda de flexibilidade em relao aos sistemas que empregam robs com poucos graus de liberdade e podem facilmente ser convertidos para montar novos produtos. A figura 14 mostra uma estao de montagem onde o rob pega elementos de uma esteira e de um alimentador e coloca trs diferentes elementos juntos para serem montados. A operao mostrada na figura 15.


Fig. 14 - Estao de montagem Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; fig. 8.10

Fig. 15 - Exemplo de montagem Fonte: Robotics Training Program - Test Book 1; Eshed Robotic; fig. 8.11

Uma maneira de aumentar a preciso dos robs instalar um dispositivo remoto central de verificao (RCC) perto da articulaes do punho do rob, como na figura 16. Neste exemplo o rob impreciso leva a cavilha ao orifcio com orientao errnea. A orientao das foras nos pontos de contato causam movimento da garra em relao ao brao do rob. A figura 17 mostra a estrutura de um dispositivo remoto central de verificao.


Fig. 16 - Uso do dispositivo remoto central de verificao Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; fig. 8.12

Fig. 17 - Estrutura do dispositivo remoto central de verificao Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; fig. 8.13

Os robs at agora no adquiriram a combinao de boa viso, tato, destreza e mo multi-dedos que montagens complexas requerem. Hoje, robs de montagem trabalham melhor os produtos especialmente projetados para fcil montagem. Isto significa minimizar o nmero de peas, utilizar movimentos simples, facilitar a colocao de peas na posio relativa correta, fazer peas facilmente alinhveis e encaixveis


CAPTULO NOVE SENSORESINTRODUOEscritores de fico cientfica e futuristas descrevem os robs como mquinas semelhantes imagem do homem e que podem executar todas as suas tarefas. Neste captulo, ns no discutiremos a questo de semelhana fsica com o corpo humano. Entretanto, se robs jamais podero substituir o homem, devemos levar em conta os possveis avanos em duas reas que podem ser comparadas s habilidades humanas: Desenvolvimento de inteligncia artificial - isto , aumentar a capacidade do rob compreender, entender e tomar decises partir das informaes colhidas por sensores. Desenvolvimento de sensores - isto , o aumento da habilidade do rob em obter informaes sobre o ambiente em que se encontra, bem como de suas prprias caractersticas. Neste captulo vamos considerar alguns aspectos relacionados com Inteligncia Artificial aplicada a robs, discutir a questo de sensores humanos versus sensores artificiais e detalhar os principais tipos de sensores.

INTELIGNCIA ARTIFICIALA inteligncia a capacidade de entender, conhecer e aprender. Esta capacidade, no homem, tornou possvel a construo e o controle do mundo, enquanto animais com menor inteligncia continuam vivendo como h milhes de anos.

Robs com flexibilidade limitada no tem inteligncia, mas alguns robs podem fazer escolhas partir de dados colhidos de seu ambiente por sensores. Estes so chamados de inteligentes. Atravs de sensores e de um processador integrado dentro do sistema do rob feita a sua adaptao ao ambiente. Os sensores podem ser simples (chaves On/Off) ou complexos (identificao em trs dimenses).

SENSORES HUMANOS X SENSORES ARTIFICIAISAlguns sensores artificiais apresentam um paralelo com os sentidos humanos, particularmente, viso, tato e ouvido. Outros, significamente importantes, no apresentam nenhum paralelo:

* Sensor de luz infravermelha : identifica fontes de calor.


* Sensor de proximidade : detectam a aproximao de algo rea do sensor. * Sensor acstico : determinam a localizao e o movimento, como os morcegos e golfinhos. Dos cinco sentidos humanos - viso, tato, ouvido, olfato e gosto - aqueles cujo paralelo artificial tem sido mais extensamente desenvolvidos so a viso e o tato. A viso do homem o principal mtodo de entrada de dados. A quantidade de informaes coletadas enorme. Muita pesquisa e desenvolvimento industrial tem sido gasto na tentativa de duplicar esta capacidade. Grandes esforos tambm tem sido investido no desenvolvimento de sensores de toque. Alm disso, alguns avanos tem sido feitos na rea dos sensores de escuta, como por exemplo a identificao de vozes. Outras capacidades de sensoreamento presentes nos humanos no tem paralelo nos robs como "sentir" acelerao, presso, ngulo e velocidade angular, o que permite o homem ficar em p e andar. O sensor artificial comparado aos olhos humanos a cmera. Assim como o olho, cmera inclui uma lente, um obturador, e um sistema de deteco capaz de transmitir dados sobre a quantidade de luz incidente. O sensor artificial de toque consiste de uma "pele" que pode, assim como a pele humana, enviar sinais sobre presso exercida sobre algum ponto. Os sensores podem tambm medir foras e momentos para os pontos de contato, Os sensores de escuta artificial so os microfones, que traduzem as vibraes criadas no ar pela fala, em sinais eltricos. Em todos esses casos o computador decodifica a informao fornecida plos sensores.

TIPOS DE SENSORESOs sensores atualmente podem ser classificados de acordo com os princpios fsicos sobre os quais eles esto baseados (tico, acstico, e assim por diante) ou de acordo com as quantidades medidas (distncia, fora, e assim por diante). Entretanto, eles so habitualmente divididos em dois tipos principais: sensores de contato e sensores sem contato.

As principais informaes obtidas por sensores de contato so:Presena ou no de um objeto em um lugar; Fora de "agarre"; Fora de momento; Presso; Escorregamento entre a garra e a pea; Conjunto. As principais informaes obtidas por sensores sem contato so: Presena ou no de um objeto em um lugar; Distncias; Movimentos;

Rodrigo Bernardo Moreira Posio de objetos; Orientao de objetos; Conjunto. Temos ainda dispositivos que identificam condies internas dos robs, como corrente, posio dos links e velocidade dos links.

SENSORES DE CONTATOOs sensores de contato so aqueles que requerem um contato fsico com os objetos em seu ambiente, alm de produzir um sinal de medida. Existem sensores de contato para vrios nveis de sofisticao. Desde sensores simples como microchaves (que so usadas para identificar a presena ou ausncia de um objeto) at sensores complexos como "pele" artificial contendo centenas de elementos sensitivos que transmitem informaes sobre orientao, dimenso, presso exercida, e assim por diante.

Os sensores de contato, por natureza, iniciam a alimentao de dados somente aps o contato fsico ter sido feito entre o rob e o seu ambiente. O contato deve ser feito de um modo controlado; o brao do rob deve ser movido para a zona de contato devagar e cuidadosamente para evitar a danificao do sensor. A principal vantagem deste tipo de sensor a preciso de suas medidas. Os sensores de contato podem ser divididos em duas categorias, de acordo com a sua posio em relao ao brao do rob :Sensores posicionados para os seus prprios pontos de contato. Eles permitem a medio da presso, presena de um objeto, identificao de chapas, e assim por diante. Sensores posicionados para o pulso ou dedos do rob. Eles permitem a medio da direo de processos ocupando lugar para os pontos de contato. Os sensores de contato podem ser classificados em: sensores de contato simples, superfcies sensoras de mltiplo contato, lminas de contato, sensores de escorregamento, sensor de pelo e sensores de fora e momento.

Sensores de contato simples:Os sensores de contato mais simples so aqueles que permitem a medio em um eixo e transmitem somente duas possveis informaes: O contato existe entre o sensor e o objeto; O contato no existe. O controlador do brao usa este dado para voltar para sub-rotina apropriada, ou procedimento de suporte. A figura 1 ilustra um sensor chave com duas posies instalado em uma garra. Este sensor diz ao controlador se a garra est, ou no, segurando um objeto. O controlador pode dizer, atravs dos dados, se a produo est ocorrendo normalmente ou se o rob est sendo alimentado por partes curtas. Neste caso, o controlador interrompe o trabalho e sinaliza um mal funcionamento.


Fig. 1: Sensor usado na identificao de presena ou no de objetos Este tipo de sensor comumente usado em sistemas automticos, desde que ele seja simples, barato, seguro e possa fornecer dados vitais. Superfcies sensoras de mltiplo contato:Uma superfcie sensora de mltiplo contato uma combinao de um nmero de sensores de contato simples localizados em grandes concentraes sobre uma superfcie simples. Cada um desses sensores envolvidos pode alimentar um sinal eltrico proporcional quantidade de fora exercida sobre ele. Quando um objeto posicionado sobre uma superfcie sensora de contato, todos os sensores em contato com a parte enviam sinais para um processador central, obtendo-se um desenho aproximado da parte. Este processo mostrado na figura 2.

Fig. 2 : Superfcie sensitiva Os sinais recebidos da superfcie so processados e transmitidos para o controlador do rob, que os usa para decidir onde mover o brao alm de carregar a operao relativa. Os sensores acoplados ao brao do rob, como mostrado na figura 3, podem fornecer poucas informaes sobre a chapa das partes em contato com o sensor, mas as informaes sobre o atuador mais precisa.


Fig. 3 : Garra com uma superfcie sensitiva instalada Este tipo de sensor apresenta as seguintes desvantagens:1. 2. 3. 4. Tamanho fsico dos sensores atuais; Distoro causada por ligao, ou fio comum, entre as leituras de sensores adjacentes; O nmero incomodo de sensores requeridos; Danificao das superfcies sensoras, bem como a perda da sensibilidade nos elementos sensitivos se eles so produzidos mais rgidos.

Lminas de contato:Este tipo de sensor pode ser usado em situaes onde informaes precisas para o ponto de contato entre o rob e o objeto no so desejadas, isto , onde somente h a necessidade de confirmar a coliso entre o rob e um objeto no ambiente. O sensor consiste de uma chapa de material flexvel, que muda a sua resistncia quando pressionada.

Sensores de escorregamento:Os robs que seguram objetos frgeis devem peg-los levemente para evitar a danificao do objeto, mas apertado o bastante para impedir que ele escorregue para fora da garra.

Na recepo de um sinal de movimento do objeto pelo sensor de escorregamento, a garra automaticamente incrementa a sua fora vagarosamente at o movimento parar. O sensor de escorregamento deve ser capaz de detectar no somente o movimento, mas a posio do objeto aps o escorregamento. Esta informao ajuda o rob a "conhecer" a exata posio e orientao do objeto escorregado, assim como ele pode continuar a operao sem a danificao do objeto.


Em todas as aplicaes que utilizam sensores de escorregamento, a acelerao e desacelerao dos robs deve ser consideradas. O aperto serve ser firme o bastante para segurar o objeto equilibrado sobre as mais extremas mudanas na velocidade. Sensores de pelo :O nome deste sensor indica o seu modo de operao. Os sensores de pelo so varas leves e salientes do atuador. Como os plos de um gato, eles sinalizam o contato com algum objeto no ambiente. A figura 4 mostra um sensor deste tipo de operao.

Fig. 4 - Sensor de plo O contato com um objeto externo move o pelo, causando a transmisso de um sinal eltrico. O controlador ento obtm instrues apropriadas para o brao do rob. Estes sensores so extremamente delicados e sensveis choques. Portanto, eles freqentemente quebram. Entretanto, eles tem algumas aplicaes prticas. Por exemplo, eles podem ser usados para medir os contornos e superfcies de objetos, como mostra a figura 5.


Fig. 5 - Sensor de plo usado no controle de soldagem Sensores de fora e momento:Devido sua grande utilizao em vrias reas da engenharia, estes sensores esto bastante desenvolvidos e so um dos mais usados em robtica.

As foras e momentos em um rob so medidos em relao ao ponto onde os sensores esto conectados e no em relao ao ponto de contato do atuador em relao ao meio ambiente. Em geral estes sensores so montados ente o ltimo link do brao do rob e a garra ou ferramenta, figura 6, mas em alguns casos estes sensores so montados dentro dos dedos das garras, figura 7.


Fig. 6 : Sensores de fora e momento montados entre a garra e o link.

Fig. 7: Sensores fora e momento montado sobre a garra. Normalmente a medio da fora ou momento feita atravs alterao da forma causada pela aplicao de uma fora. Esta variao sentida pelo sensor de tenso (strain gauge) que so pequenos pedaos de material condutivo colado ao objeto que sofre ao de uma fora momento.


Objetos tendem a se deformar quando submetidos a foras. A mudana na forma chamada STRAIN. O sensor de tenso sofre a mesma deformao que o objeto. O sensoreamento feito atravs de unidades de resistncia eltrica juntamente com a tenso passadas para o controlador para o processamento e envio de sinais apropriados. Figura 8.

Fig. 8: Reao de um strain gauge com carga. A relao entre a fora aplicada e a mudana de resistncia pode ser descrita por : R=CxFxL R = variao da resistncia. F = fora atuante sobre a viga. L = distncia entre a linha de atuao da fora atuando na viga e o sensor de tenso. C = coeficiente constante. O produto fora pela distncia descreve o momento na localizao do sensor como resultado da fora F. Esta equao s utilizada quando L conhecida. Quando um momento aplicado na viga, o sensor o identifica independente do ponto aplicado, como mostra a figura 9.


Fig. 9: Reao do momento para uma fora axial A equao para este caso : R=CxM onde M = momento na localizao do sensor de tenso. Para a medio da fora e do momento, deve-se adicionar outro sensor de tenso. A fora e o momento atuantes podem ser descritos por: RA + RB = C 1 x F RA - RB = C 2 x M Onde, RA = mudana na resistncia do sensor A RB = mudana na resistncia do sensor B C1, C2 = constantes Os valores RA e RB so lidos do sensor de fora e F e M so tirados das equaes. Existe a possibilidade de se usar muitos sensores para a medio de foras nos 3 eixos e dos momento relativos a cada eixo. Um caminho para medir foras e momento nos 3 eixos mostrado na figura 10.


Fig. 10: Sensor de fora e momento em 3 eixos. Normalmente feito a medio dos momentos das foras e no das foras diretamente. Este mtodo permite maior sensibilidade de medio. Os dedos da garra do rob podem ser consideradas como vigias atadas ao brao do rob no qual sensores de tenso esto colados. A fora atuante nos dedos tem direo vertical e pode ser obtido por: F = R / (L x C) onde L = distncia entre o strain gauge e o ponto onde o objeto preso. Devido as diferenas entre os objetos a serem pegos, adiciona-se um par de clulas strain gauge como ilustrado na figura 11. Sendo assim, podemos ter diferentes pontos ao qual as foras so aplicadas.


Fig. 11: Strain gauge usados para medir foras O momento criado pelo ponto 1 pela aplicao da fora F definida como: M1 = F x L1 E para o ponto 2 temos: M2 = F x L2 E pode ser derivado destas equaes, como mostrado abaixo: F = (M2 - M1) / (L2 - L1), onde L2 - L1 constante e igual a distncia entre os pares de strain gauge. Da ltima equao apresentada, observa-se que o valor da fora F sobre os dados da garra, pode ser determinado sem medidas precisas da localizao de cada fora aplicada.Aplicao dos sensores de fora e momento: Usa-se como exemplo o apertar parafusos, uma operao montona e comum. Quando realizado por humanos, esta tarefa requer a ativao de sensores de fora e momento e, para que seja realizada por robs, estes tambm devero possuir sensores de fora e momento, como representado na figura 12.


Fig. 12: Uso de sensor de fora e momento na operao de parafusar para juntar duas placas As operaes envolvidas neste processo so:Agarre o parafuso. O sensor utilizado para determinar se o parafuso foi bem preso; Posicionamento do parafuso; Apertar o parafuso. O sensor utilizado para exercer fora constante sobre o parafuso na direo de aperto; Interromper o aperto do parafuso. O sensor utilizado para identificar o final do movimento de aperto. Numa primeira operao, o rob utiliza um encaixe automtico para prender a cabea do parafuso. O sensor de fora identifica a adio de peso e a partir de um sinal enviado para o computador que controla o brao, o processo vai para a prxima operao.

Numa segunda operao, o rob posiciona o parafuso, apertando-o sobre a chapa. O rob no tem noo da fora a ser aplicada no aperto e atravs de um sensor de fora em sinal enviado para o computador indicando que uma forte fora est sendo aplicado sobre o parafuso. O rob para o trabalho e o controlador para resetar o programa. A forte fora exercida sobre o parafuso pode ser devido as seguintes circunstncias:O furo superior da chapa foi colocado errado ou no existir; O furo pequeno ou o parafuso largo; A garra colocada errada. Numa terceira operao, o parafuso apertado, a partir da aplicao de uma fora constante sobre a cabea do parafuso.

Numa quarta operao, o aperto do parafuso interrompido. Quando o parafuso chega ao final de seu curso, o sensor notifica um incremento de momento do parafuso para o controlador.

Rodrigo Bernardo Moreira Uso dos sensores de fora e momento na finalizao: A figura 13 mostra um rob polido uma pea. O processo de polimento controlado por um sensor de fora e momento. Esta operao envolve a aplicao de uma fora constante sobre a pea. A falta destes sensores envolve 2 problemas: A necessidade de ensinar para o rob um caminho extremamente preciso; O fato que as dimenses da pea so reduzidas durante o processo.

Fig. 13: Rob controlado por sensores de fora e momento. A adio de sensores nesta operao permite que o sistema retenha a trajetria das foras exercidas entre o polidor e a pea, com isso temos que o uso dos sensores produz uma preciso necessria para a tarefa.Problemas do uso de sensores de fora e momento: Aqui podemos citar como problemas a medida de valores indesejveis juntamente com val

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