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1. Introdução 1

Capítulo 1 INTRODUÇÃO

Este livro focaliza a mecânica, o controle e os sensores da forma mais importante dos robôs industriais, o braço robótico ou manipulador. O que exatamente constitui um robô industrial é objeto de discussão. Braços mecânicos, como o mostrado da Figura 1-1, estão sempre incluídos, enquanto que as máquinas ferramentas de controle numérico usualmente não estão. A distinção se encontra em aspectos da programabilidade do sistema, se um sistema mecânico pode ser programado para realizar uma diversidade de tarefas, então é provável que seja um robô industrial. Máquinas que se limitam a uma classe de trabalho são consideradas de automação fixas.

O estudo da mecânica e do controle de robôs não é exatamente uma ciência nova, mas simplesmente uma coleção de tópicos tirados de outras áreas, tratados com enfoque diferente. A engenharia mecânica contribui com metodologias para o estudo de máquinas em situações estáticas e dinâmicas. A matemática fornece as ferramentas para descrever movimentos espaciais. A teoria de controle provê metodologias para desenvolver algoritmos necessários para controlar movimentos e aplicar força. A engenharia elétrica fornece técnicas para o projeto de sensores, implementação do controle e acionamento. Finalmente, a ciência da computação contribui para a programação dos robôs para realizar as tarefas desejadas.

Figura 1-1: Robô industrial da ABB modelo IRB 40.

Robôs Industriais 2

1.1. Origem dos robôs industriais

Em 1921, o teatrólogo tcheco Karel Câpek utilizou pela primeira vez a palavra robot na peça Robôs Universais de Rossum. Nesta peça, robots eram humanoides desenvolvidos por Rossum e seu filho para servirem a humanidade. Em tcheco a palavra robota significa trabalhador que nunca se cansa.

Muitas definições já foram sugeridas para o que se chama de robô. A palavra robô considera diversos níveis de sofisticação tecnológica, desde uma máquina simples de manipulação de materiais até uma máquina avançada, como as idealizadas em livros e filmes de ficção científica. A imagem de um robô varia consideravelmente entre os pesquisadores, engenheiros, fabricantes de robôs e mesmo países. Contudo, é amplamente aceito que os robôs industriais atuais originaram da invenção da máquina programável de manipulação de materiais realizada por George C. Devol em 1954. Devol obteve uma patente nos Estados Unidos para um novo tipo de máquina para manipulação de materiais e peças e reivindicou o conceito básico de “teach-in/playback” para controlar o mecanismo. Este método atualmente é usado extensivamente na maioria dos robôs industriais.

Segundo Asada e Slotine (1986), os robôs industriais tiveram a sua origem baseada em duas tecnologias: controle numérico de máquinas ferramenta e manipulação remota. Controle numérico é um método de gerar ações de controle baseado em dados armazenados, através de um computador. Os dados armazenados podem incluir coordenadas de pontos para os quais a máquina deve ser movida, sinais de controle para iniciar e parar operações e comandos lógicos para determinar seqüências de controle. As seqüências de operações completas são prescritas e armazenadas em alguma forma de memória, de forma que tarefas diferentes podem ser realizadas sem a exigência de modificações na máquina. Os robôs industriais atuais são máquinas programáveis, que podem realizar um infinito número de operações simplesmente pela modificação dos dados armazenados. Esta característica foi desenvolvida a partir das aplicações de controle numérico.

A outra origem dos robôs industriais são os manipuladores remotos. Um manipulador remoto é um mecanismo que realiza uma determinada tarefa à distância. Ele pode ser utilizado em ambientes onde os seres humanos não tem acesso fácil ou seguro, por exemplo, a manipulação de materiais radioativos, ou em trabalhos submarinos em águas profundas. O primeiro sistema manipulador mestre-escravo (do inglês “master-slave”) foi desenvolvido em 1948. Este conceito envolve um braço mecânico atuado geralmente por motores elétricos, instalado no local de operação, e um sistema de controle constituído de um “joystick” com geometria similar à do braço mecânico. A Figura 1-2 apresenta um sistema mestre-escravo. O “joystick” possui sensores de posição em cada uma das articulações, que medem o movimento do operador humano a medida que este conduz a extremidade do mesmo. Dessa forma, o movimento do operador é transformado em sinais elétricos, que são transmitidos ao braço mecânico, ocasionando neste o mesmo movimento que o operador realiza. O “joystick” que o operador manipula é chamado de manipulador mestre, enquanto que o braço mecânico é denominado de manipulador escravo, a medida que o seu movimento é idealmente uma réplica do movimento comandado pelo operador. Um manipulador mestreescravo tem tipicamente seis graus de liberdade, de forma a permitir que a garra posicione um objeto em qualquer posição e orientação. A maioria das articulações são de revolução e a geometria do braço mecânico é similar à do braço humano. Esta analogia com o braço humano é resultado da necessidade de replicação dos movimentos humanos.

1. Introdução 3

Operador humano

Maipulador mestre Manipulador escravo

Ambiente hostil

Figura 1-2: Manipulador mestre-escravo (Asada e Slotine, 1986).

Concluindo, uma definição amplamente aceita atualmente, é que os robôs industriais consistem em um manipulador mestre-escravo, onde o operador humano e o manipualdor mestre são trocados por um controle numérico.

A união do controle numérico e da manipulação remota criou um novo campo da engenharia, conhecido como robótica, no qual os problemas de projeto e controle são substancialmente diferentes daqueles presentes nas tecnologias originais.

Uma outra definição para robô industrial é dada pelo “Robot Institute of America”.

“Robô industrial é um manipulador reprogramável e multifuncional, projetado para manipular material, peças, ferramentas ou dispositivos especializados, através de movimentos variáveis programados para o desempenho de uma diversidade de tarefas.”

1.2. Robôs industriais

Exige-se de um robô manipulador industrial um grau muito maior de mobilidade e habilidade do que as máquinas ferramentas tradicionais. Os braços robóticos devem ser capazes de alcançar e trabalhar em uma região relativamente grande, acessar ambientes ocupados, manipular uma grande variedade de objetos e realizar tarefas flexíveis. A estrutura única dos robôs manipuladores industriais, que mímica o braço humano, resulta destas exigências de alta mobilidade e habilidade. Esta estrutura é significativamente diferente das máquinas tradicionais. A estrutura mecânica de um braço robô é composta basicamente de barras, formando uma seqüência de ligamentos conectados por articulações. Este tipo de estrutura tem inerentemente uma baixa rigidez e baixa acuracidade, portanto não é apropriada para trabalhos pesados e de alta precisão, como os exigidos das máquinas ferramentas. Além disso, esta estrutura implica em uma série de articulações servo controladas, cujos erros se acumulam ao longo da estrutura. Para explorar a alta mobilidade e habilidade, que são características únicas de um mecanismo serial, estas dificuldades devem ser remediadas por um projeto mecânico e técnicas de controle avançados.

Robôs Industriais 4

A geometria serial de ligamentos, típica de um robô manipulador industrial, é descrita por equações não lineares complexas. Ferramentas analíticas efetivas são necessárias para descrever a geometria e o comportamento cinemático de um manipulador, genericamente referenciados simplesmente como cinemática do manipulador.

O comportamento dinâmico de robôs manipuladores industriais é também muito complexo, a medida que a dinâmica de mecanismos seriais de múltiplas entradas é altamente acoplada e não linear. O movimento de cada articulação é afetada de forma significativa pelo movimentos de todas as outras articulações. A carga inercial imposta à cada articulação varia muito dependendo da configuração instantânea do braço manipulador. Efeitos de forças de coriolis e centrífugas são significativos quando o braço manipulador se move em altas velocidades. A complexidade cinemática e dinâmica criam problemas únicos de controle, que não são adequadamente tratados por técnicas lineares de controle. Dessa forma, o projeto do sistema de controle é um problema crítico na robótica.

Finalmente, exige-se dos robôs uma iteração muito maior com sistemas periféricos do que das máquinas ferramenta de controle numérico tradicionais. Máquinas ferramentas são essencialmente sistemas auto-contidos que manipulam materiais e peças em localizações bem definidas. Em contraste, o ambiente no qual os robôs são utilizados é frequentemente pouco estruturado, e meios efetivos devem ser desenvolvidos para identificar a localização dos materiais e peças assim como para comunicar com sistemas periféricos e outras máquinas de forma coordenada.

Os robôs manipuladores industriais são também muito diferentes dos manipuladores mestre-escravo, no sentido de que são sistemas autônomos. Manipuladores mestre-escravo são sistemas controlados manualmente, onde o operador humano toma as decisões e aplica as ações de controle. O operador interpreta uma tarefa, determina a estratégia de como realizar a tarefa e planeja o procedimento de operações. O operador é responsável por atingir os objetivos baseando-se na sua experiência e conhecimento sobre a tarefa a ser realizada. As suas decisões são então transferidas para o manipulador escravo através do “joystick”. O movimento resultante do manipulador escravo é monitorado pelo operador, os ajustes necessários ou modificações das ações de controle são providenciados quando o movimento resultante não é adequado, ou quando eventos não esperados ocorrem durante a operação. Portanto, o operador humano é uma parte essencial do controle. Quando o operador humano é eliminado do sistema de controle, todos comandos de controle devem ser gerados pela própria máquina. Um procedimento detalhado das operações deve ser preestabelecido e cada passo de comando de movimento deve ser gerado e codificado em uma forma apropriada, de forma que o robô possa interpretá-lo e executá-lo de de forma correta. Meios de armazenar os comandos e gerenciar os arquivos de dados são necessários. Dessa forma, programação e geração de comandos são problemas críticos na robótica. Além disso, o robô deve ser capaz de monitorar completamente seu próprio movimento. Para permitir adaptação à perturbações e mudanças não programadas no ambiente de trabalho, o robô necessita de uma série de sensores para obter informações tanto sobre o ambiente externo (usando câmeras, sensores de tato ou sensores de proximidade), como sobre si mesmo (usando sensores de posição e velocidade das articulações). Estratégias de controle que incorporam informações do ambiente externo exigem algoritmos avançados de controle e implicam em um conhecimento detalhado da tarefa.

1. Introdução 5

1.3. Escopo deste livro

Os próximos parágrafos introduzem um pouco da terminologia e discutem brevemente o conteúdo de cada um dos tópicos que são cobertos neste texto.

Aspectos construtivos básicos de robôs manipuladores industriais

Embora os robôs manipuladores industriais sejam mecanismos universais, aplicáveis em muitas situações, questões de custo implicam que a aplicação desejada influencia a configuração mecânica do robô. Juntamente com questões do tipo tamanho, velocidade e capacidade de carga, o projetista deve considerar também o número e o arranjo geométrico das articulações. Estas considerações tem impacto sobre o tamanho e a forma do campo de trabalho do robô, a rigidez da estrutura do robô e outras caraterísticas.

Associado ao projeto mecânico do robô, existem aspectos que involvem a escolha e localização dos atuadores, sistemas de transmissão, sensores internos de posição e em algumas situações sensores de força. Estes e outros aspectos de projeto são discutidos no Capítulo 2.

Apliações e critérios de seleção

Os braços robóticos ou robôs industriais são utilizados atualmente para realizar inúmeras tarefas em praticamente todos os ramos indústriais. Contudo, para cada tipo de tarefa existe um tipo de robô mais adequado. A escolha correta do robô para realizar uma determinada tarefa é fundamental para o sucesso da aplicação e para garantir que o robô traga os benefícios esperados.

A escolha de um robô deve ser realizada considerando-se as carateríticas da tarefa e do robô, tais como, espaço de trabalho, carga a ser manipulada, precisão etc. O Capítulo 3 apresenta algumas tarefas onde os robôs industriais são utilizados com sucesso, discutindo as características tanto das tarefas como do robô que devem ser analisadas na seleção do robô mais adequado.

Descrição de posição e orientação

No estudo da robótica é importante a localização de objetos no espaço tridimensional. Estes objetos podem ser os ligamentos do robô, as partes e ferramentas que o robô manipula e outros objetos no ambiente. De forma geral, estes objetos são descritos por dois atributos: a sua posição e a sua orientação. Naturalmente, um tópico de interesse imediato é a forma na qual são representadas e manipuladas estas grandezas.

Para descrever a posição e orientação de um corpo no espaço é sempre necessário fixar um sistema de coordenadas rigidamente neste objeto. Então, procede-se em descrever a posição e orientação deste sistema em relação a um outro sistema de coordenadas de referência. A medida que qualquer sistema de coordenadas pode servir como referência, no qual se expressam a posição e orientação de um corpo, é necessário a transformação da descrição dos atributos de um corpo, de um sistema para outro, veja Figura 1-2. O Capítulo 4 discute os métodos e convenções utilizados para descrever posição e orientação de corpos e a matemática associada para manipular estas grandezas em relação a varios sistemas de coordenadas.

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Figura 1-2: Sistemas de coordenadas são fixos no robô e objetos do ambiente.

Cinemática direta de robôs manipuladores industriais

Cinemática é a ciência que estuda o movimento, sem no entanto considerar as forças que causam este movimento. Dentro da ciência da cinemática são estudas posição, velocidade, aceleração e outras derivadas de ordem mais elevadas da posição em relação ao tempo ou à outras variáveis de interesse. O estudo da cinemática de robôs manipuladores considerada todas as propriedades geométricas e temporais do seu movimento.

Os robôs manipuladores industriais consistem de mecanismos compostos de ligamentos praticamente rígidos, conectados por articulações que permitem o movimento relativo entre ligamentos vizinhos. As articulações são em geral instrumentadas com sensores de posição, que medem a posição relativa entre dois ligamentos vizinhos. No caso de articulações de revolução, ou de rotação, estes sensores medem posição angular. Alguns robôs contém articulações de translação, ou prismáticas, nas quais o deslocamento relativo entre os ligamentos é uma segue uma linha reta.

O número de graus de liberdade que um robô manipulador possui é igual ao número de variáveis de posição independentes que devem ser especificadas para localizar todas as partes do mecanismo. Esta é uma definição geral para qualquer mecanismo. Por exemplo, um mecanismo de quatro barras tem somente um grau de liberdade, apesar de existirem três ligamentos móveis. No caso de um robô industrial típico o número de graus de liberdade é igual ao número de articulações, isto decorre do fato de que estes robôs são usualmente de cadeia cinemática aberta e do fato de que cada articulação é definida por uma única variável de posição.

Na ponta livre da cadeia de ligamentos que compõem o robô manipulador, está o efetuador. Dependendo da aplicação desejada do robô, o efetuador pode ser uma garra, uma ferramenta de solda, um eletroimã, ou qualquer outra ferramenta. Em geral, a posição do robô é descrita com sendo a posição do sistema de coordenadas fixo no efetuador em relação ao sistema de coordenadas fixo à base não móvel do robô.

Um problema básico no estudo de robôs manipuladores é a chamada cinemática direta. A cinemática direta pode ser dividida em dois problemas: (1) o problema estático e geométrico de se calcular a posição e orientação do efetuador em relação ao sistema de coordenadas fixo, dadas as posições de todas as articulações, veja Figura 1-3; e (2) o problema do robô manipulador em movimento, onde se deseja calcular a velocidade linear e xob yob zob ye ze

1. Introdução 7 angular do efetuador, dadas as posições e velocidades de todas as articluações. Estes problemas são explorados no Capítulo 5.

Figura 1-3: Equações da cinemática descrevem a posição e orientação do efetuador em relação ao sistema de coordenadas fixo na base em função das posições das articulações.

No cálculo da velocidade de um mecanismo é conveniente definir uma matriz denominada Jacobiano. A matriz jacobiano especifica um mapeamento de velocidades do espaço das articulações para o espaço do efetuador, veja Figura 1-4. A natureza deste mapeamento se altera a medida que a configuração do robô (posição das articluações) varia. Em certas configurações, chamadas de singularidades, este mapeamento não é inversível. Um bom entendimento deste problema é importante para o projetista e os usuários do robô.

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