Robotica Industrial2000-2001 - Cap1-2, Notas de estudo de Mecatrônica

Baixe Robotica Industrial2000-2001 - Cap1-2 e outras Notas de estudo em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity! Robótica Industrial Capítulos 1e 2 Introdução Estrutura e Tipologia de Manipuladores Vitor M. F, Santos Departamento de Engenharia Mecânica Universidade de Aveiro, Outubro 2001 Conteúdo 1. INTRODUÇÃO... 11 ORIGEM DO TERMO 'ROBOT"... 1.2 ALGUMAS DEFINIÇÕES DE ROBOT E ROBÓTICA . 13 CLASSIFICAÇÃO DE ROBOTS. 1.31 Gerações (cronologicamente) 1.3.2 Nível de inteligência do controlador (pela JIRSA, 1.3.3 Nível de controlo dos programas no controlador. 134 Linguagem de programação... 1.4 ALGUNS MARCOS NA HISTÓRIA DA ROBÓTICA 1.5 OS MANIPULADORES ROBÓTICOS..... 1.5.1 Robótica fixa versus robótica móvel....... 1.5.2 Elementos principais de um manipulador (ou robot industrial) 1.6 O ROBOT E A AUTOMAÇÃ( 1.6.1 Tipos de automação . 1.6.2 Aplicações tradicionais dos manipuladores industriais . -5 1.7 IMPORTÂNCIA DO ROBOT INDUSTRIAL... ee 2. ESTRUTURA E TIPOLOGIA DE MANIPULADORES...... 21 COMPONENTES. 211 Braço mecânico. 21.2 Ponta ou Garra (Endeffector 213 Actuadores . 2.1.4 2.1.5 2.2 TIPOS DE JUNTA 221 Graus de liberdade e graus de mobilidade 222 Representação e arremjo cinemático 2.2.3 O braço humano ... 2.3 ESPAÇO DE TRABALHO E TIPOS DE MANIPULADORE; 2.31 Cartesiano (PPP) 2.3.2 Cilíndrico (RPP) 2.3.3 Esférico (RRP).. 2.3.4 Articulado Horizontal - SCARA (RRP) 2.3.5 Articulado vertical (antropomórfico) - RRR 24 RESOLUÇÃO, REPETIBILIDADE, PRECISÃO... Robótica Industrial, 2001-2002, V. Santos de robots, dispositivos robóticos. alguns brinquedos com mobilidade ou mesmo uma máquina de Comando Numérico não são consideradas robots. Para ter esse estatuto, deverá o dispositivo ter uma capacidade de programação e, mais ainda, de alguma adaptação ao problema prático. Claramente, um robot pressupõe um sistema que interage Nem todos os sistemas automáticos são robots; os sistemas automáticos de funções fixas, como fisicamente pelo movimento de certas componentes mecânicas. 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.4 Classificação de robots Gerações (cronologicamente) 1*Robots executores (playback) - repetem uma sequência de instruções pré-gravada como a pintura ou soldadura. 2º Robots controlados por sensores - possuem malhas fechadas de realimentação sensorial. Tomam decisões com base nos sensores. 32 Robots controlados por visão - a malha fechada de controlo inclui um sistema de visão (imagem que é processada) 4º Robots com controlo adaptativo - o robot pode reprogramar as suas acções com base nos seus sensores. 52 Robots com inteligência artificial - usa técnicas de inteligência artificial para tomar as suas decisões e até resolver problemas. Nível de inteligência do controlador (pela JIRSA) Dispositivos manuais - operados por pessoas Robots de sequências fixas Robots de sequências variáveis - onde o operador pode mudar a sequência com facilidade. Robots executores (playback) - onde o operador humano guia o robot a executar uma tarefa fixa. Robots controlados numericamente - o operador fornece apenas o programa do movimento, em vez de o ensinar manualmente Robots inteligentes - percebem e interagem com alterações no ambiente. Nível de controlo dos programas no controlador Inteligência artificial - instruções de alto nível que serão decompostas pelo sistema em funções de mais baixo nível. Modo de controlo - os movimentos do sistema são modelizados incluindo as interacções dinâmicas entre os diferentes mecanismos. As trajectórias são planeadas à partida, bem como os pontos de contacto com os elementos a trabalhar (manipular). Deste modelo é formulada uma estratégia e os comandos de controlo são enviados para próximo nível mais baixo. Servo-sistema - os actuadores controlam os parâmetros do dispositivo usando os dados sensoriais nas malhas de controlo. Linguagem de programação Sistema guiados - O operador indica os movimentos que o robot deve fazer Programação ao nível do robot - O utilizador escreve um programa a especificar as sequências de movimentos que o robot terá de executar. Programação ao nível de tarefa - o programador especifica apenas as acções a tomar sobre os objectos que o robot manipulará. Alguns marcos na história da robótica 1801 - J. Jacquard inventou um tear programável 1959 - Primeiro robot comercial introduzido pela Planet Corporation. Era controlado por fins- de-curso e excêntricos 1960 - Primeiro robot “Unimate”. Principios de controlo numérico e actuadores hidráulicos. No ano seguinte foi instalado na Ford. 1968 - Um robot móvel desenvolvido no Stanford Research Institute: “Shakey”. Câmara de video e sensores de contacto. 1971 - O braço de Stanford desenvolvido pela Universidade de Stanford com actuação eléctrica. 1973- Primeira linguagem de programação de robots: WAVE seguida em 1974 pela linguagem AL. As duas deram lugar mais tarde ao aparecimento da VAL, linguagem comercial da Unimation 1978 - PUMA introduzido pela Unimation Introdução Página 1-2 e a expressão Engenharia Robótica é mais específico e refere-se à construção de robots e Robótica Industrial, 2001-2002, V. Santos 1979 - SCARA desenvolvido na Univerisdade de Yamanashi com introdução comercial em 1981. 1981 - Robot com actuação directa (“direct drive”) desenvolvido na CMU 1983 - Projecto para uma linha flexível de montagem automatizada com o uso de robots. 1997 - A Honda anuncia o primeiro robot humanóide que sobe escadas. 1.5 Os manipuladores robóticos 1.5.1 Robótica fixa versus robótica móvel As três categorias principais de robots são -Os nemipuladores - robots industriais -Os veículos cuto-guiados (AGV) -Os robots móveis As principais diferenças entre estas categorias incidem nos seguintes pontos: “Conhecimento continuo da posição (verdade nos braços), “Aplicações distintas (manipulação e transporte), “Necessidade de percepção do ambiente (crucial nos móveis), -tipo de programação usada (normalmente mais exigente nos robot móveis). 1.5.2 Elementos principais de um manipulador (ou robot industrial) 1.5.2.1 Braço e punho (arm -wrist) O braço é a parte do manipulador que está normalmente associada ao posicionamento (x, y, z) no espaço fisico cartesiano, ou operacional. O punho afecta essencialmente a orientação (0,,y) da garra, pinça ou outros end-effector. Todavia, é muito comum que haja efeitos cruzados - o braço afectar também a orientação e o punho afectar a posição cartesiana Estes componentes de um manipulador são constituídos por partes rígidas, os elos (links), ligadas entre si pelas juntas (joints) Figura 1.1 - Elos e junta de um manipulador 1.5.2.2 O controlador Unidade capaz de gerar informação de activação de um ou mais actuadores com base num algoritmo de controlo. Esse algoritmo pode levar em linha de conta o comando desejado, o estado corrente do actuador, e o próprio ambiente. Os algoritmos mais comuns recorrem ao chamado controlo PID (proporcional-integral- diferencial. Quando não existente em separado, o controlador chega a incluir a unidade de potência, ou seja, o elemento que liga directamente ao actuador fornecendo-lhe a energia que necessita com base numa informação de baixo teor energético, como são os sinais eléctricos à saída de muitos controladores. Por vezes, o controlador faz parte de um sistema maior de interligação com o utilizador exterior, como é o caso de um computador pessoal. Nestes casos o controlador pode assumir a forma de uma carta de expansão do próprio computador, ou ser um dispositivo exterior que comunica com o computador de uma forma padrão, como por exemplo, uma ligação série R$232. Introdução Página 1-3 Robótica Industrial, 2001-2002, V. Santos Esta integração num computador, devido ao abundante número de ferramentas de interface disponíveis, permite mais facilmente especificar os comandos desejados para o controlador, ou até de os gerar de forma automática, como fazem muitos programas (software). 1.5.2.3 Actuadores Dispositivos que geram e impõem movimento a uma qualquer parte mecânica pelo desenvolvimento de forças e binários baseada num princípio físico de conversão de energia. Podem ser, por exemplo, motores eléctricos, cilindros hidráulicos, ou pneumáticos, electro-imanes, etc. Têm muitas vezes associados elementos adicionais de transmissão mecânica. Fazem a actuação 1.5.2.4 Sensores Elementos destinados à medição do estado interno do manipulador bem como à percepção do ambiente exterior. Principais tipos de sensores usados num manipulador: codificadores, fins-de-curso, sensores de força, detectores de proximidade capacitivos e indutivos, etc. Fazem a percepção. Es Fonte de Saad energia para os actuadores 1 | I 1 Controlador Unidade de potência | ! » | (decide quemedida de, | (fomece energia ao | | Actuador > E + (gera deslocamento Sensor | | actuação deve ser actuador com base nas | ear] / | imposta) ordens do controlador) | 1 1 1 1 Figura 1.2 - Um sistema de controlo tradicional 1.6 O robot e a automação 1.6.1 Tipos de automação A automação pode ser de dois tipos fundamentais: rígida e flexível (programada) CORVESOR 4 ROBOT CONVEYOR à CONVEYOR B GS BOWL FEEDER corro B Figura 1.4 - Automação flexível Figura 1.3 - Automação rígida Rígida - cada componente do sistema Flexível. a multiplicidade de componentes da tem sempre a mesma função ou conjunto | automação rigida é reduzida pelo introdução de um limitado de funções sem possibilidade de | sistema mais versátil: caso dos manipuladores alteração de modo simples, obrigando à existência de vários componentes por vezes afins Introdução Página 1-4 Robótica Industrial, 2001-2002, V. Santos 2.Estrutura e Tipologia de Manipuladores 2.1 Componentes 2.1.1 Braço mecânico O braço mecânico é constituído por juntas e elos (joints and links). Os elos são usualmente blocos alongados rígidos, e são ligados uns aos outros através das juntas. Os elos podem variar a sua posição relativa e estão normalmente associados em série. Existem variadíssimas combinações de elos e juntas de acordo com as aplicações, e que mais adiante se descreverão os tipos mais comuns. 2.1.2 Ponta ou Garra (End-effector) Componente ligado à extremidade do braço, isto é, ligado ao último elo do manipulador, e que tem funções adicionais (agarrar ou prender um objecto, ou ainda um dispositivo com funções adicionais mais específicas). A ponta ou end-effector pode ser do tipo garra (gripper) ou uma ferramenta (too). 2.1.2.1 Garras As garras de preensão mecânica (pinça) são bastante comuns e eis de seguida alguns exemplos: S = Robot interface er, dem, Figura 2.1 - Alguns princípios e tipologias de garras De notar o tipo de forças /movimentos aplicados e os resultados nas diversas situações. Saliente-se a garra do topo direito que pode servir para agarrar objectos de dimensão variável graças à sua mola. Ou Estrutura é Tipologia de Manipuladores Página 2-1 Robótica Industrial, 2001-2002, V. Santos ainda, a garra na última ilustração, na região inferior direita, cujos dedos (pinças) de deslocam de forma perfeitamente linear. Além das garras do tipo pinça há ainda aquelas de funcionamento bascado em: * Vácuo * Magnética e Adesivos Ou outros tipos dos quais se destacam as mãos antropomórficas Figura 2.2 - Mão (garra) antropomórfica 2.1.2.2 Ferramentas Nas ferramentas a variedade é muito grande mas as principais incluem as seguintes: * Soldadura * Corte jacto de água * Furador, polidor, etc. 2.1.3 Actuadores Os componentes que utilizam uma fonte de energia para fazer mover as juntas; são de três tipos essenciais. Eis uma breve comparação dos três tipos de actuadores: Característica Tipos de actuadores Eléctricos Hidráulicos Pneumáticos : Hoje em dia mais 5 Fácil. Possibilidade de Muito dificil devido a questões Controlo ser elaborado. facilitado com as electro de compressibilidade do ar servo-válvulas Velocidades Grande Média/Grande Muito grande Binário a baixa velocidade Pequenos/Médios Grande Pequenos (acelerações) Precisão Boa. Limitada pelo Boa Ma, excepto em operações a uso de transmissão posições fixas. Funcionamento em situação estática Mau. Requer travões. Excelente. Trata-se de funcionamento normal. Bom. Não há risco de danificação do sistema. Questões ambientais Custos A presença de arcos eléctricos pode ser indesejável. Perigo de fugas de óleo. Sistemas limpos. Risco de poluição sonora de componentes, compressores e das fugas. Relativamente baixos Altos Relativamente baixos Tabela 2-1 - Breve comparação dos principais tipos de actuadores Em cada junta há normalmente um actuador. Ao contrário, no corpo humano, há normalmente 2 músculos por cada junta para a moverem em direcções opostas. 2.1.3.1 Tipo de actuação Directa - O elemento móvel do actuador é acoplado à junta directamente. Estrutura é Tipologia de Manipuladores Página 2-2 Robótica Industrial, 2001-2002, V. Santos Indirecta - o elemento móvel do actuador é acoplado à junta mediante um sistema de transmissão. Actuação indirecta Figura 2.3 - Ilustração da actuação directa e indirecta Os motores eléctricos são normalmente usados em actuação indirecta (indirect drive) devido à combinação alta velocidade /binário baixo. São excepções os casos dos motores especiais como os motores passo a passo, ou os chamados direct-drive motors, que têm uma concepção especial e permitem altos binários a baixas rotações. Porém, alguns destes tipos são por enquanto motores de grandes dimensões e peso, portanto limitados a poucas aplicações nos manipuladores; é possível encontrá-los na base, ou seja, a actuar a primeira junta do manipulador. 2.1.4 Sensores Fornecem informação ao controlador, nomeadamente em que local estão as diversas juntas do manipulador Além destes sensores internos há também os interruptores de fim de curso que delimitam as deslocações extremas das juntas. Existem também os sensores externos dedicados a recolher informação adicional sobre o ambiente. 2.1.4.1 Sensores de posição Potenciômetros, Vo (t) = KO(t) Retatiny iper Hesistins element Figura 2.4 - Um potenciómetro como indicador de posição angular Codificadores (incrementais e absolutos) Os codificadores (especialmente os ópticos) apresentam a vantagem de não possuir contactos sujeitos a desgaste como o poderia ser o cursor de um potenciômetro. Estrutura é Tipologia de Manipuladores Página 2-3 Robótica Industrial, 2001-2002, V. Santos 2.2.2 Representação e arranjo cinemático Frequentemente, em diversa literatura existe uma simbologia própria para representar de uma forma padrão um manipulador e as suas juntas. De seguida ilustra-se um caso para um manipulador RRP e mais uma junta esférica. sia Figura 2.9 - Representação de um manipulador com as juntas RRPS, num total de 6 DOF 2.2.3 O braço humano Cada braço humano, excluindo a mão e os dedos, dispõe de 7 graus de liberdade: Graus de Tipo liberdade (Dor) Esférica 3 Rotacional 1 Esférica 3 Junta Ombro (Shoulder) Cotovelo (Elbow) Pulso (Wrisd Figura 2.10 - Graus de liberdade do braço humano 2.3 Espaço de trabalho e tipos de manipuladores Espaço ou volume de trabalho (workspace or volume space) de um manipulador é a região dentro da qual o manipulador pode posicionar o end-effector. Quando se classifica um robot pela sua estrutura cinemática, isto é, pelo seu espaço de trabalho, apenas as juntas principais são usadas. Assim, há essencialmente 5 categorias de estruturas cinemáticas que se ilustram e descrevem resumidamente de seguida: Cartesiana (PPP) Cilindrica (RPP) Esférica (RRP) Articulado horizontal ou SCARA (RRP) Articulado vertical ou antropomórfico (RRR) Estrutura é Tipologia de Manipuladores Página 2-6 Robótica Industrial, 2001-2002, V. Santos 2.3.1 Cartesiano (PPP) Volume do espaço de trabalho: V= A, A, A; Figura 2.11 - Manipulador cartesiano (PPP) 2.32 Cilinárico (RPP) Volume do espaço de trabalho: V = 74, lt +A,) — £] Figura 2.12 - Manipulador Cilíndrico (ou RPP) 2.38 Esférico (RRP) 7 Volume do espaço de trabalho: V = Edo +A)— 2] Figura 2.13 - Manipulador Esférico (RRP) Estrutura é Tipologia de Manipuladores Página 2-7 Robótica Industrial, 2001-2002, V. Santos 2.3.4 Articulado Horizontal - SCARA (RRP) bad ven TAL +) (L-D)]eL >, Volume do espaço de trabalho: V = > TA(L +L) EL <L Figura 2.14 - Manipulador Articulado Horizontal-SCARA (RRP) 2.3.5 Articulado vertical (antropomórfico) - RRR Volume do espaço de trabalho: V = r(L +) EL <L, Figura 2.15 - Manipulador Articulado vertical (ou antropomérfico) (RRR) Podemos comparar os volumes de trabalho admitindo que as juntas rotacionais varrem 360º e que as prismáticas são todas iguais de comprimento L e que se deslocam o comprimento A e que A=L. Resulta assim a seguinte tabela Cartesiano Vv=I Cilindrico V=3mº Esférico V= Zap Articulado Horizontal V=4alº Articulado Vertical 2 Note-se que o volume de trabalho aumenta com o número de juntas rotacionais. Estrutura é Tipologia de Manipuladores Página 2-5