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ROBÓTICA INDUSTRIAL MECATRÔNICA

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

A robótica abrange tecnologia de mecânica, eletrônica e computação. Além disso, participam em menor grau teoria de controle, microeletrônica, inteligência artificial, fatores humanos e teoria de produção. Para melhor entendimento realizaremos uma comparação com as características dos robôs industriais e o corpo humano. O entendimento dessa ideia permite avaliar, nos sistemas robóticos, o grau de aplicação de um determinado braço a um determinado processo produtivo. É importante compreender tais fundamentos teóricos dos elementos que definem características físicas do braço, bem como o desempenho dinâmico e o sistema de controle abordado. As máquinas robóticas podem ser classificadas segundo critérios distintos. Por exemplo, podem ser agrupadas quanto à aplicação, quanto à cadeia cinemática, quanto ao tipo de atuadores, quanto à anatomia, etc. Sequer o termo robô possui um significado único.

Pode tanto representar um veículo autônomo quanto um humanoide ou um simples braço com movimentos. O grau de interatividade com agentes externos permite classificá-los em totalmente autônomos, programáveis, sequenciais ou ainda inteligentes. De certa forma, dada à quantidade de aplicações que surgem a cada momento, é praticamente impossível ter-se uma única forma de classificação para robôs.

Em virtude do estudo acadêmico, a abrangência aqui será limitada a robôs industriais. Esses são, em sua grande maioria, máquinas projetadas para substituir o trabalho humano em situações de desgaste físico ou mental, ou ainda situações perigosas e repetitivas no processo produtivo em indústrias. Com isso descartam-se aqueles que possuem o atrativo da forma humanóide, mas que são de pouca serventia no ramo industrial. Veículos autônomos e outras formas robóticas também ficam de fora. Na terminologia aqui empregada, um robô será composto de um circuito eletrônico



computadorizado de controle e um mecanismo articulado denominado manipulador. Listando os itens temos:

� ROBÔ � BRAÇO MECÂNICO � MECANISMO ROBÓTICO � MANIPULADOR � MANIPULADOR MECÂNICO � MANIPULADOR ROBÓTICO

Esses componentes passam a representar, portanto, o mesmo dispositivo, na estrutura de um robô. A fim de compreender melhor a tecnologia robótica, devemos elencar alguns fatores que caracterizam os manipuladores e que são, em grande parte, responsáveis por tornar uma determinada configuração de braço mais adequada a uma dada automação. Listando os itens temos:

� ANATOMIA � VOLUME DE TRABALHO � SISTEMAS DE ACIONAMENTOS � SISTEMA DE CONTROLE � DESEMPENHO E PRECISÃO � ÓRGÃOS TERMINAIS � SENSORES � PROGRAMAÇÃO

ANATOMIA E ELEMENTOS MECÂNICOS

Um braço robótico normalmente é composto pelo conjunto braço e punho. O braço consiste de elementos denominados elos unidos por juntas de movimento relativo, onde são acoplados os acionadores para realizarem estes movimentos individualmente, dotados de capacidade sensorial, e instruídos por um sistema de controle. O braço é fixado à base por um lado e ao punho pelo outro. O punho consiste de várias juntas próximas entre si, unidas por elos compactos, que permitem a orientação do órgão terminal nas posições que correspondem à tarefa a ser realizada. Na extremidade do punho existe um órgão terminal (mão ou ferramenta) destinada a realizar a tarefa exigida pela aplicação. A figura abaixo mostra esquematicamente uma sequência de elos e juntas de um braço robótico. Nos braços reais, a identificação dos elos e juntas nem sempre é fácil, em virtude da estrutura e de peças que cobrem as juntas para protegê-las no ambiente de trabalho.



Em uma outra perspectiva um manipular robótico é apresentado, sendo evidenciado a composição física adotada. Os elos ficam unidos por juntas em uma cadeia cinemática aberta ou fechada.

Numa junta qualquer, o elo que estiver mais próximo da base é denominado elo de entrada. O elo de saída é aquele mais próximo do órgão terminal.



A ilustração ao lado, mostra um braço robótico industrial, com todas as suas partes. Num braço mecânico antropomórfico (que se assemelha ao braço humano), os elos são denominados sequencialmente de base, braço e antebraço. As juntas são de rotação / revolução (R) ou prismática / de translação (P).

z: é o eixo de rotação, ou o eixo no qual a junta prismática se deslocar l: representam os elos θ e d: são as variáveis das juntas de rotação e de translação.



As juntas podem ser rotativas, prismáticas, cilíndricas, esféricas, de parafusos e planares. Dependendo dos movimentos permitidos pelas juntas, elas podem se mover em uma duas ou três direções, ou graus de liberdade (GL).

• JUNTA PRISMÁTICA OU LINEAR

Move-se em linha reta. São compostas de duas hastes que deslizam entre si.

• JUNTA ROTACIONAL

Gira em torno de uma linha imaginária estacionária chamada de eixo de rotação. Ela gira como uma cadeira giratória e abrem e fecham como uma dobradiça.

• JUNTA ESFÉRICA

Funciona com a combinação de três juntas de rotação, e permite rotações em torno de três eixos distintos.



• JUNTA TIPO FUSO OU PARAFUSO

É constituída de um parafuso e uma rosca que executa um movimento semelhante ao da junta prismática, porém, com movimento de rotação no eixo central (movimento do parafuso).

Robôs industriais utilizam em geral apenas juntas rotativas e prismáticas. A junta planar pode ser considerada como uma junção de duas juntas prismáticas, e, portanto, é também utilizada.

As juntas rotativas podem ainda ser classificadas de acordo com as direções dos elos de entrada e de saída em relação ao eixo de rotação. Quanto a sua classificação temos:

� ROTATIVA DE TORÇÃO OU TORCIONAL T Os elos de entrada e de saída têm a mesma direção do eixo de rotação da junta.

� ROTATIVA ROTACIONAL R Os elos de entrada e de saída são perpendiculares ao eixo de rotação da junta.

� ROTATIVA REVOLVENTE V Os elo de entrada possui a mesma direção do eixo de rotação, mas o elo de saída é perpendicular a este.



REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DAS JUNTAS

As juntas robóticas são acionadas por atuadores: ELÉTRICOS - elétricos são os mais utilizados industrialmente, principalmente pela disponibilidade de energia elétrica e pela facilidade de controle. HIDRÁULICOS - indicados quando grandes esforços são necessários; robôs de maior porte. PNEUMÁTICOS - só têm aplicação em operações de manipulação em que não são obrigatórias grandes precisões, devido à compressibilidade do ar.



GRAUS DE LIBERDADE DO BRAÇO HUMANO

O número de juntas, em uma cadeia cinemática aberta, determina os graus de liberdade (GDL) do manipulador. Tipicamente um manipulador possui 6GDL:

� 3 GDL para o posicionamento da ferramenta; � 3 GDL para a orientação da ferramenta.

O espaço de trabalho de um manipulador é o volume total percorrido pelo efetuador (órgão terminal ou ferramenta) dadas todas as possibilidades de execução de movimento do robô. O espaço de trabalho é limitado pela geometria do manipulador, bem como pelas restrições físicas das juntas (limites mecânicos). Para um mesmo espaço de trabalho, os elos com juntas rotacionais ocupam um menor volume de instalação em relação aos elos com juntas prismáticas (SCARA x Cartesiano).



PRECISÃO E REPETIBILIDADE Precisão é a medida (erro) de quão próximo o manipulador pode alcançar um determinado ponto no seu espaço de trabalho. Repetibilidade é um termo estatístico que descreve a capacidade do manipulador repetir o posicionamento em um ponto programado.

A posição programada não é alcançada e o erro é repetido. Portanto a repetibilidade é alta e a precisão é baixa. PRECISÃO E REPETIBILIDADE A precisão pode ser afetada por: - erros de computação; - imprecisões mecânicas de fabricação dos robôs; - folgas de engrenagens; - efeitos de flexibilidade das peças sob cargas gravitacionais e de inércia (altas velocidades);



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

• Articulado (RRR) • Esférico (RRP) • SCARA (RRP) • Cilíndrico (RPP) • Cartesiano (PPP)

Sobre as siglas temos R que significa junta rotativa e P que significa junta prismática. CLASSIFICAÇÃO QUANDO O TIPO DE MECANIZAÇÃO DOS ROBÔ S ROBÔ ARTICULADO (RRR)

Liberdade de movimento grande e volume de trabalho compacto, mais versátil dos robôs industriais.



ROBÔ ESFÉRICO (RRP) Substitui a junta rotativa do cotovelo do robô articulado por uma junta prismática.

As coordenadas que definem a posição do órgão terminal do robô são esféricas (θ1 , θ2, d3).



ROBÔ SCARA (RRP) Selective Compliant Articulated Robot for Assembly, Configuração recente que rapidamente se tornou popular - adequada para montagens. Tem três eixos, todos verticais e paralelos z0 , z1 e z2.



ROBÔ CILÍNDRICO (RPP) A primeira junta é rotativa enquanto a segunda e terceira juntas são prismáticas As variáveis das juntas são coordenadas cilíndricas (θ1 , d2 , d3 ).



ROBÔ CARTESIANO (PPP) As três primeiras juntas são prismáticas. É o manipulador de configuração mais simples, sendo muito empregado para armazenamento de peças.

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