ROBÓTICAFundamentos da tecnologia,

programação e aplicações de robôs

Curso de Tecnologia em Automação Industrial

Prof. Dr. Lindolpho Oliveira de Araújo JuniorMarço / 2007

Anatomia de um robô

Anatomia

Configurações

Movimentos

Notação de juntas

Tipos

Estrutura

Graus de liberdade

Mov. braço e corpo

Mov. punho

Tipos de configurações

Existem quatro configurações típicas em que se apresentam os robôs manipuladores industriais:

Configuração de coord. cartesianasConfiguração cilíndricaConfiguração polar (ou esférica)Configuração de revolução

Análise dos diversos tipos

• Na repetitibilidade (capacidade de mover-se no espaço com um erro mínimo), o robô cartesiano leva vantagem) principalmente por apresentar estrutura mais rígida.

• Em alcance (capacidade de estender o braço além de sua base), os robôs polares e de revolução levam vantagem.

• Na capacidade de carga, as configurações cartesianas e cilíndricas são mais rígidas e de maior capacidade.

• As configurações polar e cilíndrica têm vantagem geométrica na capacidade de carga de máquinas e de penetração em pequenas aberturas, sem interferência com os lados da abertura.

Coordenadas cartesianas

• Usa três réguas perpendiculares para construção dos eixos x, y e z.

• Envoltório de trabalho cúbico.

Coordenadas cilíndricas

• Utiliza-se de uma coluna e de um suporte que pode ser movido para cima e para baixo ao longo desta coluna.

• O braço do robô fica fixo ao suporte, podendo mover-se radialmente em relação à coluna.

• Girando-se na coluna, o robô é capaz de gerar um envoltório de trabalho próximo de um cilindro.

Coordenadas polares

• Consiste em um braço telescópico que pode ser levantado ou abaixado ao redor de um pino horizontal.

• O pino fica fixo em uma base rotativa.

• Diversas juntas propiciam ao robô a capacidade de mover seu braço dentro de um envoltório esférico.

Coordenadas de revolução

• Assemelha-se ao braço humano.

• Apresenta dois componentes retos, correspondendo ao antebraço e braço humanos, montados em um pedestal vertical.

• Estes componentes são conectados por juntas rotacionais correspondendo ao ombro e cotovelo.

• Um punho fica unido a extremidade do braço, proporcionando diversas juntas adicionais.

Estrutura

• O trabalho do robô é realizado permitindo-se que exerça movimentos do seu corpo, braço e punho.

• Formados de corpos rígidos, geralmente sem deformação pela ação de forças externas. São denominados elos ( do inglês: links)

• Os elos são unidos por juntas que têm movimentos relativos entre si. Assim, sempre existirá uma junta que unirá um elo com o elo seguinte, permitindo-lhe um movimento.

• Em geral ficam montados sobre base fixa. Esta base pode estar sobre uma superfície fixa ou carro móvel.

Graus de liberdade• O número de juntas do manipulador é conhecido como graus de liberdade

(ou DOF – inglês).

• Um manipulador típico apresenta 6 graus de liberdade, sendo 3 para posicionar o manipulador no espaço de trabalho e as demais para o punho.

Movimento do corpo e braço

Vertical transversal: mover o punho para cima e para baixo, a fim de alcançar altitude vertical desejada.

Radial transversal: extensão ou retração do braço, do centro vertical do robô.

Rotacional transversal: rotação do braço ao redor do eixo vertical.

Movimento do punho

Roll (rotacional): Rotação do punho ao redor do eixo do braço.

Pitch (orientação vertical): Estando o eixo rotacional na posição central, se-ria a movimentação do punho para cima e para baixo.

Yaw (orientação horizontal): Estando o eixo rotacional na posição central, seria a movimentação do punho para a direita ou esquerda.

Notação de juntasTipo Nome Ilustração

Junta Prismática

L Linear

Juntas de Revolução

R Rotacional

T Torção

V ReVolvente

Notação de juntas

Configuração do robô (braço e corpo) Símbolo

Configuração Polar TRL

Configuração cilíndrica TLL, LTL, LVL

Robô de coord. Cartesianas LLL

Configuração articulada (revolução) TRR, VVR

Configuração do robô (punho) Símbolo

Punho de dois eixos (típica) :RT

Punho de três eixos (típica) :TRT

Notação de juntas

A notação começa com a junta mais próxima da interface do braço e prossegue até o suporte para o órgão terminal.

Juntas de punho são predominantemente rotacionais dos tipos R e T.

Um mecanismo de punho típico com três juntas rotacionais seria indicado por TRR. Esta notação é simplesmente adicionada à notação do braço e corpo do robô. Por exemplo: um robô de coordenadas polares com um punho de três eixos pode ser designado como TRL:TRT.

Se o robô acima for fixo sobre um carro de movimento linear, pode-se descrever como L-TRL:TRT.

Espaço de trabalho

Espaço de trabalho

Esférico

Cilíndrico

Prismatico

Espaço de trabalhoEspaço de trabalho: Espaço dentro do qual o

manipulador pode movimentar o efetuador.

É definido como o volume total conformado pelo percurso do extremo do último elo, o punho, quando o manipulador efetua todas as trajetórias possíveis

Este volume depende da anatomia do robô, do tamanho dos elos, bem como dos limites dos movimentos das juntas.

Espaço de trabalhoEis os tipos clássicos de volume definido pelos movimentos

do robô: (a) semi-esférico parcial (esférico) ; (b) cilíndrico; (c) prisma;

Espaço de trabalhoNos robôs reais, os limites mecânicos no movimento

das juntas produzem um espaço de trabalho com contornos complexos, como pode ser visto :

Sistemas de acionamento

Tipo

Hidráulico

Elétrico

Pneumático

Acionamento hidráulico•Associado a robôs de maior porte;•Propicia maior velocidade e força;•Soma-se ao espaço útil no piso (desvantagem);•Tendência ao vazamento de óleo;•Podem ter tanto juntas prismáticas, movimentadas

por pistões, como também de revolução, através de motores hidráulicos;

Acionamento elétrico•Robôs de acionamento elétrico dispõe de grande

precisão e repetitibilidade;•Tendência a serem menores e requererem menor

espaço no piso;•Acionados por motores de passo ou servo-motores;•No caso de juntas prismáticas, consegue-se

movimento mediante parafuso de acionamento, transformando rotação do motor em movimento linear;

Acionamento elétrico x hidráulico•Os Motores elétricos tendem a ter preço

proporcional ao tamanho;•O sistema hidráulico é menos dependente do seu

tamanho;

custo

Tamanho do equip.equilíbrio

Acionamento pneumático•Reservado a robôs de menor porte, com menor grau

de liberdade (não mais do que dois);•Por não apresentarem grande precisão frente a

compressibilidade do ar, geralmente são empregados em operações de “pega-e-põe” (pick & place) com ciclos rápidos, sem possibilidade de controle da trajetória intermediária do efetuador.

Sistemas de controle e desempenho dinâmico

Tipos decontrole

Seqüência fixa

Repetição

Inteligentes

Controle ponto a ponto

Controle de trajetória contínua

1

2

5

3

4

Velocidade de resposta e estabilidade

6

SCDD

Seqüência fixa•Controlados mediante batentes ou chaves fim-de-

curso, a fim de definir os pontos extremos de movimento;

•Em geral não há realimentação associada a um robô de seqüência fixa para indicar que a posição desejada foi alcançada;

•Qualquer um dos três sistemas de acionamento pode ser usado com esse tipo de sistema de controle, porém o pneumático parece ser o mais comumente empregado.

•Geralmente desenvolvem operações de “pega-e-põe”.

Repetição•Utiliza unidade de controle mais sofisticada, onde

uma série de posições ou movimentos são “instruídos” ao robô, gravadas em memória e, em seguida, repetidas pelo robô sob seu próprio controle.

•Instruir e gravar em memória = programação;

•Apresentam alguma forma de servo controle (realimentação em malha fechada) a fim de garantir que as posições alcançadas sejam de fato as instruídas.

Repetição: Controle ponto a ponto•Executam séries de movimentos baseados em definições de

pontos a serem atingidos e ações a serem executadas;

•O robô é instruído sobre cada ponto, e estes, guardados em memória;

•Robôs ponto a ponto não controlam trajetória;

•Para definir trajetória, o programador deve inserir seqüência de pontos para garantir um “certo controle” da trajetória;

•Bastante adequado para diversos tipos de aplicações;

•Ex: Carga e descarga, soldagem a ponto.

Repetição: Controle de trajetória contínua

•Executam ciclos de movimento em que a trajetória é controlada ao longo do tempo, cuidando a cada instante de sua posição e velocidade;

•O programador define os pontos de partida e chegada e a unidade de controle define os pontos intermediários;

•Movimentar o braço do robô para a unidade de controle definir os pontos é outra forma de “ensinar” a trajetória ao robô;

•Ex: pintura e solda a arco;

Inteligentes•Capacidade de, além de repetir um ciclo de movimento

programado, podem também interagir com seu ambiente de modo a parecer inteligente;

•Podem alterar seu ciclo programado em resposta a condições de ocorrem no local de trabalho. Toma decisões lógicas em resposta a condições ocorridas no local de trabalho.

Velocidade de resposta e estabilidade

•Características importantes no desempenho dinâmico;•Relacionam-se a projetos de sistemas de controle;•Velocidade de resposta: capacidade do robô em mover-se

para a próxima posição, em um curto período de tempo.•Estabilidade: definida como a medida das oscilações que

ocorrem no braço durante o movimento de uma posição para a próxima.

•Um robô com boa estabilidade apresenta pouca oscilação durante ou no término do seu movimento.

•A estabilidade pode ser controlada acrescendo-se sistemas de amortecimento no projeto do robô, mas pode-se reduzir a velocidade de resposta.