Robótica Material de Apoio

Robótica Material de Apoio

(Parte 1 de 3)

Apresentação

O objetivo deste trabalho é contribuir como auxílio às aulas da disciplina Robótica, bem como ser uma base de orientação para o público que busque uma introdução no referido campo. Não possui a intenção de ser um livro-texto, visto que existem diversas literaturas consagradas de grandes mestres que atendem plenamente a esse propósito.

O trabalho foi desenvolvido pela equipe de professores do Senai, responsável pela implantação do projeto em Robótica, em conjunto com professores de Kitakyustru Politechonic College através da cooperação tecnológica entre Brasil e Japão.

Sumário

Unidade I - Programação Graus de liberdade 03 Questões de segurança com robôs industriais 18 Coordenada de movimento tipo movimento 27 Variáveis 36 Calibração de ferramenta 40 Função mudança paralela 46 Linguagem de robô 52

Unidade I - Sistema de visão Encoders lineares e rotativos 6 Sistema de visão 75 Referência bibliográficas 86

0 Graus de liberdade

Um corpo livre no espaço pode realizar 6 ( seis ) movimentos independentes entre si; assim, dizemos que ele tem 6 ( seis ) graus de liberdade.

Par cinemático É a união de dois elementos que estão em contato, permitindo o movimento relativo de ambas as partes.

Fig. 01

Se unirmos esse elemento (corpo livre) ao sistema de eixos (x, y, z), de acordo com as características dessa união, o elemento poderá realizar 1, 2, 3, 4, ou 5 movimentos relacionados com o elemento de fixação (ou o elemento A é restrito, ou ao elemento A foram proibidos 5, 4, 3, 2, ou 1 movimento). Os movimentos possíveis de um elemento em relação ao outro podem ser de giro (G) ou de translação (T).

O número de graus de liberdade de um mecanismo espacial pode ser obtido pela equação: N = 6 ( n – 1 ) – 5p1 – 4p2 – 3p3 – 2p4 – 1p5

Onde: N = número de graus de liberdade do mecanismo n = número de elementos do mecanismo p1 = número de pares cinemáticos de um movimento p2 = número de pares cinemáticos de dois movimentos p3 = número de pares cinemáticos de três movimentos p4 = número de pares cinemáticos de quatro movimentos p5 = número de pares cinemáticos de cinco movimentos

Simbologia utilizada para representação da “cadeia cinemática”

Sistema eixo de rotação tipo pivô

Sistema eixo de translação telescópica

Sistema eixo de translação transversal

Sistema eixo de rotação tipo dobradiça

Sistema ferramenta Sistema de aço separação do braço - punho

Exercícios:

Identifique quantos graus de liberdade a cadeia cinemática possui e quais sistemas estão envolvidos.

b)

c)

Componentes de um robô:

De um ponto de vista macroscópico, um sistema robótico pode ser “explodido” em três grandes componentes, conforme a figura. • Mecanismo

• Acionamento

• Sistema de controle

Fig. 02

O mecanismo, ou parte mecânica que tem liberdade de movimentos, por sua vez, se subdivide em três outras partes: • Braço

• Punho

• Ferramenta de final de braço

O braço determina o alcance da “Ferramenta de final de braço” no espaço “euclidiano”, enquanto o punho, sua orientação.

A Ferramenta de final de braço é escolhida em função da tarefa a ser realizada pelo robô e pode ser: • Garra

• Tocha de solda

Fig. 03 Fig. 04

Fig. 05 Fig. 06

O acionamento é responsável pela movimentação física de cada junta do mecanismo, além de acionar as juntas dos braços, do punho e vários tipos de “Ferramenta de final de braço”. Os dispositivos de acionamento têm a função de transformar energia elétrica, hidráulica, pneumática, ou uma combinação destas, em energia cinética para as juntas do braço, do punho e para o órgão terminal.

O acionamento também é parte física do mecanismo, uma vez que as massas interferem na dinâmica do manipulador.

Fig. 07

O sistema de controle é responsável pela coordenação e controle do movimento da Ferramenta de final de braço, objeto principal de aplicação do robô. Sua forma mais simples consiste apenas em uma série de paradas mecânicas ajustáveis ou chaves limitadoras.

Nas formas mais complexas, é necessário que o controle e a coordenação do movimento sejam efetuados por computador, que dispõe de uma memória programável, permitindo pilotar o órgão terminal ao longo de uma trajetória precisamente definida.

Possibilita ainda o sincronismo com outros robôs e equipamentos periféricos (como por exemplo, correia transportadora).

Visa à maior eficiência e segurança na execução de tarefas.

Classificação do robô industrial (JIRA –Associação Japonesa de Robôs Industrias)

A) Classificação quanto à informação de Entrada e Aprendizagem.

B) Classificação quanto aos tipos de coordenadas de movimento do braço. Manipulador controlado manualmente pelo homem.

• Robô Seqüencial – Cada passo do movimento é solicitado de uma seqüência preestabelecida. − Robô de Seqüência Fixa

− Robô de Seqüência Programável

• Robô “Play Back” – Repete a seqüência programada de movimentos, dirigindo fisicamente, ou por meio de um “Teach in Box”, a ponta do robô. • Robô NC – Programação feita com entrada de forma numérica.

• Robô inteligente – O sistema robótico já dispõe de sensores externos (como visão, tato, etc.).

Classificação das coordenadas 1. robô de coordenadas cartesianas 2. robô de coordenadas cilíndricas 3. robô de coordenadas esféricas 4. robô articulado 5. outros tipos (inclusive o tipo “SCARA”)

Selective Compliance Articulated Robot Arm

Fig. 08 Robô de coordenada esférica

Fig. 09 9

Robô de coordenada cilíndrica

Fig. 10 Robô de coordenada retangular

Fig. 1 Robô articulado

Fig. 12 10

Fig. 13

Configurações típicas de braços e punhos na indústria de robôs.

Controle espacial Introdução O que neste texto é chamado Controle espacial tem outras notações na literatura referente à Robótica.

Algumas são: • Controle de trajetória

• Coordenação de movimentos

• Coordenação de movimentos cartesianos O Controle espacial se refere ao procedimento para gerar referências para juntas do robô, fazendo que o movimento individual das juntas, executado simultaneamente, desloque o “efetuador” (órgão terminal) do robô.

Controle dos movimentos

De uma forma geral, as linguagens de programação robótica propiciam a capacidade de gerar movimentos conhecidos, bem como a integração de equipamentos periféricos com o robô. A principal preocupação será em registrar os conceitos robóticos de uma forma que possibilite o entendimento do processo de ensino aplicado ao robô e a integração que se faça necessária.

Fig. 14

A fig.14 ilustra um robô do tipo articulado, com seis graus de liberdade. Quando analisarmos o diagrama da fig.15, estaremos reportando ao exemplo ilustrado na fig.01. Esse robô articulado é constituído de seis motores que irão trabalhar para gerar os movimentos para cada eixo. Este tipo de configuração é chamado de robô do tipo R, que significa seis juntas de rotação. Cada motor é sensoriado e funciona no processo de malha fechada, ou seja, é possível gerenciar o funcionamento em tempo real, obtendo, a cada Δt, a sua posição real. O sensoriamento pode ser realizado por “encoders” ou “resolvers” dependendo exclusivamente de cada fabricante a melhor escolha para fazer parte de seus projetos.

Analisando-se o controle do robô, é possível deixar claro alguns comportamentos dos movimentos que ele realiza quando o processo de ensino é realizado.

Fig. 15

• Θ = matriz de posição ( existe uma matriz de transformação de posição para cada junta “ Θ1, Θ2, Θ3, Θ4, Θ5, Θ6 ” ) • X = modelo de deslocamento, em função de Θ

• Θnr = matriz de posicionamento, pertencente ao trajeto a se realizar

• Θn = matriz de posicionamento, pertencente à posição real do robô

A fig.15 descreve, em forma de um diagrama de blocos, o processamento de uma tarefa que é composto por várias trajetórias, tendo como resultado final a movimentação de todos os eixos do robô ou a movimentação individual de cada eixo, dependendo do tipo de coordenada de movimento que se deseje.

Na fig.15, os motores estão representados pelos servos de cada junta, que são justamente a parte referente ao sensoriamento do motor. O processo é decomposto a partir da entrada de um trajeto no controle do robô. Neste instante, são executados alguns algoritmos que irão separar o modelo de posicionamento do robô em partes correspondentes a cada junta que irá participar no movimento, assim teremos em cada motor parcela de responsabilidade para gerar o movimento final no robô.

Fig. 16

Conforme a fig.16, a malha fechada realimenta e orienta a posição final do motor, garantindo a posição desejada na entrada do trajeto.

Malha fechada é o nome dado a um sistema de controle com realimentação. É calculada a diferença entre o sinal de entrada e o sinal de saída, e essa diferença é transferida na entrada do aparelho executivo. Este procedimento acontece simultaneamente em todos os motores do robô, garantindo um movimento suave e em sincronia. Após a identificação de todas as informações, é montado o modelo de deslocamento “ X= F (Θ)”. O modelo de deslocamento X é em função de “Θ”, que é uma matriz de posição. Conforme a fig.02, existem duas entradas no controle, uma em relação ao trajeto que se deseja e outra referente ao posicionamento atual da flange do robô, região onde se referencia a trajetória do robô(caso não tenha sido feita a calibração da ferramenta “TCP”). A segunda informação é a matriz de posição “Θ” relacionada à função inversa do modelo “X”.

Este tipo de informação é processado quando atuamos de forma a executar um trajeto chamado de cartesiano, deslocamento final paralelo aos eixos de referência X, Y, Z.

Se formos realizar um trajeto chamado de PTP, a informação do trajeto interfere diretamente no motor do eixo que se deseja movimentar, não sendo necessária a informação do modelo matemático de deslocamento do robô (conforme fig.02). É interessante mostrar uma tabela que exemplifica a armazenagem dos dados de deslocamento do robô, no modo cartesiano, para cada junta.

Esta tabela demonstra a matriz de posição que cada junta possui em relação a cada ponto da trajetória.

Pontos ensinados

Juntas

Outro aspecto que deve ser levado em consideração é o sistema de leitura dos “encoders” usados nos motores dos robôs. Estes leitores podem possuir algumas características que diferem segundo sejam absolutos ou incrementais, que influenciam de forma direta no processo de programação do equipamento. De forma geral, os encoders incrementais precisam se referenciar sempre que iniciam o funcionamento do robô e os encoders absolutos, que não necessitam desta informação, facilitam o início de funcionamento do equipamento.

Nestas considerações, buscamos demonstrar como são processadas as informações no controle do robô quando definimos simplesmente o tipo de movimento que o robô irá executar. Este conceito é valido para qualquer robô existente no Mercado de trabalho, variando a forma do procedimento para implementar o processo de ensino do robô.

Como exemplo, podemos citar dois tipos de robôs de diferentes fabricantes, o da Mitsubishi e o da Yaskawa, que, apesar apresentarem diferenças na seleção e na sintaxe de programação, não apresentam alteração no conceito dos tipos de coordenadas de movimento.

No robô da Yaskawa, precisamos informar o tipo de coordenada de movimento com que iremos trabalhar. Temos algumas opções, como a coordenada de Junta (trajeto PTP), que exprime o movimento em cada junta individualmente, e coordenada WLD (trajeto cartesiano), que exprime o movimento em sincronia de todos as juntas, garantindo um movimento paralelo aos eixos X, Y, Z.

Já no robô Mitsubishi, selecionamos tipo de coordenada de movimento PTP, e tipos de coordenadas de movimento XYZ, que exprimem movimento individual de cada junta e movimento simultâneo das juntas, garantido sincronia de movimento, respectivamente.

Este enfoque precisa ser considerado para entendermos que cada fabricante procura se diferenciar em relação ao seu equipamento, porém o conceito não foge à concepção básica.

É possível dividir o controle espacial em dois grandes grupos: • Controle espacial explícito

• Controle espacial implícito

Controle espacial explícito É hoje utilizado na quase totalidade dos robôs industriais em operação.

Na forma explícita, há a necessidade de planejar a trajetória explicitamente, enquanto que na forma implícita a equação do segmento da curva é embutida no algoritmo de geração de trajetória, tornando-a autônoma. A forma explícita de controle espacial exige que se faça um plano de trajetória explícita. É necessário gravar um conjunto de pontos, pelos quais o órgão terminal do robô deve passar quando estiver executando uma tarefa.

É armazenada, na memória do computador que faz o controle espacial do robô, uma seqüência de pontos (cada ponto é um conjunto de valores das variáveis das juntas, além de informações adicionais, como por exemplo, garra aberta / fechada), enviada aos respectivos servos das juntas. Estes pontos podem ser gravados diretamente nos sensores das juntas ou, adicionalmente, executando-se um algoritmo de interpolação para geração dos pontos intermediários.

Sem interpolação Nessa categoria podem ser citados dois tipos de robôs muitos utilizados na indústria: • robô PTP de manuseio de peças (Point to Point)

• robô CP de pintura (Continuous path)

Na maioria dos robôs PTP, utilizados para manuseio de peças, a gravação (programação) da seqüência de pontos que compõem a tarefa é feita por um periférico (Teaching Box / Teach Pendant / Programming Pendant), com o qual se movimenta o robô até um ponto no espaço tridimensional desejado, e, neste ponto, com o robô parado, é feita a gravação do ponto (conjunto de variáveis das juntas), de acordo com a figura.

Fig. 17 Já no robô CP, utilizado em pintura, a gravação é feita de forma diferente. Neste caso, o robô possui um modo de operação no qual as juntas, passivas, permitem que o operador movimente diretamente o órgão terminal do robô, isto é, sem necessidade do “Teaching Box”.

Simultaneamente, um dispositivo auxiliar mostra os valores das variáveis das juntas, em uma freqüência de amostragem 1/Ts, conforme é ilustrado.

Fig. 18 16

Ilustração de um robô de pintura (Cp). A cada instante de amostragem Ts, o conjunto de variáveis das juntas é retido em um sistema de aquisição de dados multicanal, permitindo sua repetição posteriormente de acordo com a tabela. A programação destes dois tipos de robô não oferece dificuldades maiores, mas cada tipo tem características próprias. No caso do robô PTP, é possível depurar parcialmente o programa, isto é, é possível inserir, apagar, e/ou substituir um ou mais pontos da seqüência, enquanto que no robô de pintura não é possível, pois a seqüência é temporal.

Aplicações industriais

Fig. 19 Fig. 20

Fig. 21 Fig.2 17

Questões de segurança com robôs industriais

O robô industrial é uma máquina útil, que possui características bastante singulares comparativamente às máquinas convencionais. Este fato implica aspectos importantes no tocante à segurança.

Relativamente às suas características, o robô industrial: • sendo mais potente, será capaz de manipular objetos mais pesados (alta capacidade de carga); • sendo mais veloz, poderá concluir os processos mais rapidamente (alta produtividade);

• quanto mais graus de liberdade tiver, maior variedade de serviços (alta flexibilidade) será capaz de executar .

(Parte 1 de 3)

Comentários