Introdução a Robótica (Robos SCARA e Capitulo 1 pg 1 a 24 do livro do Niku)

Introdução a Robótica (Robos SCARA e Capitulo 1 pg 1 a 24 do livro do Niku)

Engenharia Elétrica

ROBÓTICA

2016

Trabalho Elaborado para o Curso de Engenharia Elétrica da matéria; Projetos de engenharia Elétrica da instituição Anhanguera Educacional ministrada pelo professor; Jorge Almassinha

Heros Scaylier Hassan Eloy Lima Dutra

Ra: 4997011037

Wenes Cley Mendonça

Ra: 4204783275

Wallace Farah Lopes de Oliveira

Ra:4200055647

Osmar Pereira Lopes Filho

Ra: 3724686643

Eli Antônio Bonfim Barros

Ra:1299930981

O robô do tipo Scara, assim como a configuração paralela (hexápode), está se popularizando e deixando de ser considerada como uma “configuração especial”. Desenvolvida por um grupo de empresas japonesas, Scara significa Selective Compliance Assembly Robot Arm (Braço Robótico para Montagem com Flexibilidade Seletiva).

A Estrutura A figura 1 ilustra a estrutura padrão de uma configuração Scara, que possui quatro graus de liberdade, sendo três deles para posicionar o punho (eixos X, Y e Z) e um para orientar a garra (ou ferramenta). A figura 1 também mostra o sistema de coordenadas global, representado pelos eixos X0, Y0 e Z0.

F.1 – Estrutura padrão da configuração Scara

O elo (link) representado na cor laranja é a base do robô e é fixada ao local de trabalho. O elo roxo, que será chamado de Teta1, é ligado à base por uma junta rotacional centrada no eixo Z0. O elo vermelho, denominado de Teta2, é ligado ao elo roxo por outra junta rotacional. Estas duas primeiras juntas permitem o posicionamento do punho no plano XY. Na figura 1 temos Teta1 e Teta2 em suas posições iniciais. O último elo possui em sua parte inferior o punho, e está representado em amarelo. A junta entre os elos vermelho e amarelo é, na realidade, dupla. O elo amarelo desliza verticalmente em relação ao elo vermelho, permitindo o posicionamento do punho no eixo Z, e também gira em seu próprio eixo possibilitando a orientação do dispositivo que será fixado ao punho (esse movimento será denominado de Roll). A configuração descrita é a mais usual, mas há variantes. Há modelos onde o movimento vertical (eixo Z) é realizado pelo primeiro elo e não pelo último.Volume de Trabalho O volume de trabalho de um robô é o conjunto de todos os pontos do espaço que o seu punho pode alcançar e cada configuração possui uma forma característica. A figura 2 mostra como o volume de trabalho de um robô Scara é formado por quatro arcos de circunferência.

F.2 – Formação do volume de trabalho da configuração Scara.

A análise da figura 2 inicia-se com o punho no limite superior e com Teta1 e Teta2 nas posições iniciais. Em A tem-se o limite imposto pela movimentação apenas de Teta2, que saiu de sua posição inicial (2=0º) e atingiu seu ângulo máximo. Em B Teta2 é mantido na posição final e apenas Teta1 move-se desde seu ângulo inicial (1=0º) até a posição final. Em C o movimento é realizado apenas por Teta2 que sai da sua posição final e retorna para a posição inicial. Em D é mostrado o retorno de Teta1 para a posição inicial, mas ainda na metade do trajeto, que é completado em E. Portanto, em E pode-se observar o plano superior do volume de trabalho. Com o punho na posição inferior obtém-se a mesma forma geométrica, que representa o plano de trabalho inferior. Sendo assim, em F tem-se a representação do volume de trabalho típico de um robô Scara. Há robôs onde o eixo Z é comandado pneumaticamente e, dessa forma, tem apenas duas posições possíveis. Nestes robôs o volume de trabalho é formado apenas pelos planos superior e inferior, não podendo atingir posições intermediárias. Nos robôs com eixo Z  servo-controlado é possível posicionar o punho em qualquer ponto entre os limites superior e inferior.Descrição matemática Para descrever matematicamente um robô é necessária definir as dimensões invariáveis (constantes construtivas) e as dimensões variáveis. A figura 3 apresenta, em duas vistas, as constantes L0, L1 e L2 destacadas em preto, as variáveis 1, 2 e d em azul e as coordenadas cartesianas do punho X, Y e Z, em rosa. Deve-se observar que à esquerda Teta1 e Teta2 estão na posição inicial, enquanto que o mesmo não acontece à direita. A constante L0 é a altura atingida pelo punho quando está na posição mínima. A constante L1 é o comprimento de Teta1 enquanto L2 é o comprimento de Teta2.

F.3 – Dimensões variáveis e invariáveis da configuração Scara.

O quadro 1 apresenta as equações da cinemática direta, ou seja, dados os valores de 1, 2 e d (variáveis das juntas) é possível calcular as coordenadas cartesianas do punho.

Quadro 1 – Equações da cinemática direta. Mas, em um programa de controle do robô há também outra necessidade de cálculo geométrico. É quando o usuário define as coordenadas cartesianas (X, Y e Z) onde deseja posicionar o punho. Nesta situação devem-se calcular os valores de 1, 2 e d necessários para atingir a posição meta. As equações que permitem esse cálculo são conhecidas como cinemática inversa, e estão apresentadas no quadro 2.

Resumo Livro Introdução a Robótica NIKU páginas 1 á 24.·.

  • INTRODUÇÃO

Sabe-se que hoje a robótica tem evoluído de forma bem peculiares, principalmente na indústria manipuladores robóticos são bem utilizados, onde eles são capazes de realizar funções com bastante precisão. A grande questão se reflete no fato de que os robôs podem sim fazer muitas coisas com grau de precisão e receptibilidade incrível, mas nem tudo é necessário a utilização de um robô, depende de sua aplicabilidade. Segundo Saeed Niku, 2001 um robô sozinho é inútil, este vem acompanhado com acessórios que pode ser dispositivos periféricos, algum tipo de sistema, maquinas de fabricação entre outros. O fator determinante de um dispositivo ser considerado um robô ou não é pelo simples fato de saber como é o seu controlado. Um exemplo disso é se compararmos um manipulador robótico e um guindaste convencional. No guindaste o controle é feito manualmente. Já um robô o seu controle é feito por um computador executando algum tipo de programa. É importante ver que cada Pais define o que vem a ser um robô. “Pelo os padrões americanos, um dispositivo deve ser facilmente reprogramáveis para ser um robô” (NIKU, 2001).

  • CLASSIFICAÇÃO DOS ROBÔS

Observa-se que existe diferentes classes que definem a robótica, será apresentado duas normas que são a JIPA (Japanese Industrial Robot Association), RIA (Instituto de Robótica da América) e a AFR (Association Française de Robotique).

A JIPA define as classes tais como:

Classe 1: Dispositivo com movimentação manual (vários graus de liberdade);

Classe 2: Dispositivo que opera sucessivas tarefas de acordo com um método adotado, não é variável.

Classe 3: Tem a mesma definição da classe 2 com a diferença que é variável o seu método;

Classe 4: O dispositivo, no caso o robô repete o mesmo movimento de acordo com as informações programadas;

Classe 5: Ocorre um controle numérico do robô, ao invés de ser manualmente;

Classe 6: Robô inteligente, que consegue tomar suas próprias decisões, analisa o ambiente, sendo flexíveis a possíveis mudanças.

Na norma RIA, considera apenas as classes 3, 4, 5 e 6.

Já na norma AFR temos:

Tipo A: Dispositivos de manipulação com controle manual;

Tipo B: Dispositivos de manuseamento automático com ciclos pré-determinados. Tipo C: Programável, servo robôs controlados com contínua ou ponto – á ponto; Tipo D: Igual a do tipo C, mas com capacidade de adquirir a partir do seu ambiente.

  • HISTÓRIA DA ROBÓTICA

Observa-se uma relação de forma abrangente envolvendo a historia da robótica e a indústria, começando no cenário de 1922 onde Karel Capek introduziu a palavra “rabota” que significa trabalhador, logo após em 1946 George Devol desenvolveu um tratamento magnético, onde eckert e Mauchley a partir disso construiu o computador ENIAC que possibilitou mais tarde em 1954 George desenvolver o primeiro robô programável. Em 1962 GM instala o primeiro robô industrial Unimation. Já em 1968 construído o robô inteligente Shakey. Em 1972 IBM desenvolveu um robô de coordenadas retângulares para uso interno e possivelmente vendas. O modelo T3 da Cincinnati Milacron tornou-se popular no ambiente industrial isso em 1973. Sendo que em 1978 o primeiro robô PUMA foi enviado para GM, que em 1982 tanto a GM e a Fanuc assinaram um acordo para construção de robôs GMFanuc. Westinghouse comprou Unimation, que posteriormente foi vendido para Staubli da Suíça. E partir de então o tema robótica tornou-se bem popular e cada dia mais vem evoluindo e sua fronteiras sendo alargadas.

  • VANTAGENS E DESVANTAGENS

As vantagens que os robôs trazem são amplas como qualidade, produtividade, segurança, flexibilidade, eficiência entre outras, a questão aqui retratada é a comparação com o ser humano que tem limitações e necessidades que um robô não apresenta. Um ponto forte do robô é o grau de precisão que possui. ``robôs faltam a capacidade para responder em situações de emergência, a menos que a situação é prevista (NIKU,2001).

As limitações do robô se encaixam segundo Niku, 2001 em graus de liberdade, destreza, sensores e tempo real de resposta. Umas das desvantagens é o custo inicial tanto de equipamentos e instalação, necessidades em programação.

  • COMPONENTES ROBÓTICOS

Um robô é construído por um manipulador - articulações, ligações e outros elementos estruturais, efetuador final – é a ultima junta do manipulador que conecta em outros dispositivos, atuadores – são dispositivo que faz a ação, podendo ser motores, cilindros pneumáticos ou hidráulicos, sensores – que é a comunicação do robô para o ambiente, controlador – que controla movimentos, os sensores e atuadores, processador - Controla todo o sistema, funciona como um cerebro software - os três grupos existentes são sistema operacional que opera o computador, software de robótica que faz cálculos de articulações e o conjunto de rotinas, programas de realização de tarefas especificas.

Os graus de liberdade de um robô define quantas posições poderá se mover no espaço, no plano cartesiano x,y e z determina a localização de um ponto, sendo necessária para movimentação. Existe diferentes tipos de conjuntos de robôs, tais como lineares, rotativos e esféricos, a determinação desses conjuntos esta relacionada aos graus de liberdade de um robô, que quanto mais graus de liberdade maior é a complexidade de controle.

As coordenadas de um robô são definidas assim: Juntas prismáticas é indicada pela a letra P, juntas rotativas pela a letra R e juntas esféricas pela a letra S. Dentre esses tipos de coordenadas a definição do posicionamento da mão de um robô é importante, onde podemos classificar em:

Cartesiano, Retangular, Pórtico: Tem 3 articulações o efetuador final com posição linear seguido de juntas rotativas que serve de orientação ao efetuador final;

Cilíndrica (R2P): Duas juntas prismáticas, juntas rotacionais de orientação com coordenadas cilíndricas;

Esférico (2RP): Coordenadas esféricas, com juntas prismáticas e duas juntas rotacionais para posicionamento e orientação;

Articulado (3R): São mais populares na indústria, e possuindo características de um braço humano;

SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm): Duas juntas rotacionais de movimentação horizontal e conjuntos prismáticos de movimentação vertical.

  • PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

Um robô tem quatro definições que abrange suas principais características, quando nos referimos a carga útil seria o peso que suporta dentro de uma especificação, que em relação ao próprio peso do robô é relativamente pequena. O alcance outra característica importante define a distância máxima que um robô alcança na sua dimensão especificada. A precisão é a comparação da posição que este robô se encontra com a posição que deseja chegar. Um dado interessante é que os robôs industriais tem uma precisão de 0,001 polegadas. E por ultimo a receptibilidade “é a precisão com que a mesma posição pode ser alcançada se o movimento for repetido muitas vezes” (NIKU, 2001).

O espaço de trabalho de um robô está diretamente associado ás suas características, ditas anteriormente. Ao conhecer suas limitações, articulações e ligações definem de forma matematicamente o espaço de trabalho, para assim garantir maior precisão, receptibilidade, alcance e carga útil para cada aplicação do robô.

  • LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO

Antes de especificar o tipo de linguagem de programação de um robô é interessante mencionar os modos de programação que depende exclusivamente do grau de sofisticação do robô. Ao se falar em instalação física, neste modo o operador configura chaves de difícil controle, normalmente é usado outros dispositivos acoplados como, por exemplo, o CLP (Controlador Lógico Programável). No modo de ensinar as articulações do robô são movidas por instruções a localização e orientação é inserido no controlador, que segue exatamente as instruções, percebe-se que neste modo a sequência de operação é de ponto a ponto. Outro modo de programação é o modo continuo, onde todas as articulações são movidas ao mesmo tempo sendo isso amostrado e registrado continuamente pelo o controlador, os movimentos são gravados e executa-o no tempo exato. Esses movimentos são ensinados aos operadores através de modelos, por exemplo, robôs de pintura são programados por pintores qualificados através de módulos. E o ultimo modo é o modo de software o controlador, controla os movimentos e o programa é feito em off-line ou on-line, seria o mais sofisticado e versátil de todos os modos tratados anteriormente, além de ter informações adicionais de sensoriamento e instruções condicionais.

Hoje existem tantas linguagens de programação, assim como existem tantos robôs. É interessante vermos que cada fabricante faz o uso de sua própria linguagem acoplada ao seu equipamento, podemos citar a titulo inicial linguagens como Basic, C e Forthan, que são baseadas em linguagens comuns. Linguagens de alto nível como Java, Pascal, C entre outras são baseadas em interprete e executa o programa linha por linha, de cada vez, já as linguagens de baixo nível como assembly são baseadas no compilador utilizando linguagem de maquina, criando um código objeto antes de executar o programa. Exemplos:

Microcomputador (Linguagem de máquina): os programas são escritos em linguagem de máquina, é o nível mais básico e eficiente, mas complexo e exige um especialista;

Ponto a ponto de Nível: as coordenadas dos pontos são inseridos sequencialmente, é um tipo muito primitivo e simples mas é fácil de usar, depende exclusivamente das informações sensoriais e instruções condicionais;

Nível Motion Primitive: Desenvolve programas mais sofisticados, tais como sensoriamento, ramificações e instruções condicionais;

Nível de programação estruturadaé uma linguagem mais sofisticada de alto nível, portanto grau de complexibilidade maior, exigindo especialistas;

Tarefa - Nível Orientado: Atualmente, não existem línguas reais deste nível de existência. O que ocorre nesta linguagem é que o usuário fazia menção da tarefa, enquanto o controlador criaria a sequência necessária. Era basicamente dizer ao robô o que fazer em cada tarefa, ou seja, ser reprogramado.

  • APLICAÇÕES ROBÓTICAS

A ideia principal da criação de um robô é pela a adaptabilidade que possuem em ambientes agressivos aos seres humanos. Sendo mais precisos e não necessitam de fatores biológicos que nós precisamos, além das características já mencionadas neste artigo. Citaremos algumas aplicações da robótica de forma geral na sociedade e sua importância:

Carregamento da máquina: Ocorre um fornecimento de peças, ferramentas ou remoção de partes de dispositivos, o robô neste caso apenas manipula peças dentro de um conjunto de operações e não as altera.

Local e OperaçõesRecolocação de peças, exemplos, cartuchos, montagens simples, colocar peças em dispositivos entre outros exemplos, a função básica do robô é simplesmente colocar peças em diferentes lugares;

Soldagem e Usinagem: O robô tem a função de soldagem e usinagem, são robustos, trabalhando de forma uniforme e preciso. Esta aplicação é a mais popular na indústria automotiva;

Pintura: É bem popular na indústria automotiva, trabalha de forma precisa e continua como a pintura tem um odor bem característico, traz benefícios ao ser humano para á não inalação de tal produto; Ouvir.

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Inspeção: Inspeção de peças, placas de circuitos, e outros produtos similares, sistema de visão de raios-X dentre outros equipamentos. As funções assumidas pelo robô que pode ser acoplado, por exemplo, com o CAD, que permite a simulação, detalhes adicionais e vistas de equipamentos, estruturas e processos, ou seja, existem programas onde se pode verificar calcular e obter um resultado mais próximo da realidade baseado na inspeção;

Montagem: Na robótica a montagem é uma das tarefas mais complicadas, porque envolve mais de uma peça e consequentemente muitas operações, as peças, por exemplo, são identificadas e localizadas em uma determinada ordem para assim serem instaladas e bem ajustadas no conjunto. Montagem envolve empurrar, dobrar, girar equilibrar. Outro fator importante é o dimensionamento das peças, onde qualquer variação pode danificar todo o conjunto;

Manufatura: Seriam as diversas operações que um robô faz, dentre elas temos: montagem, remoção de materiais, perfuração, inserção de peças, tais componentes eletrônicos em placas de circuito, a instalação de placas em aparelhos eletrônicos e outras operações similares.

Vigilância: a vigilância tem sido largamente utilizada na indústria, um exemplo seria no controle de tráfego, ou câmeras de vigilância para detectar as placas dos carros, com alta velocidade.

Medicina: Um exemplo usado na medicina é o Robodoc que foi projetado para ajudar nas operações de um cirurgião o substituindo. Algumas funções por ele executada é, por exemplo, furação do crânio com a dimensão e precisão exata, além disso, a orientação e a forma do osso pode ser determinada por Tomografia Computadorizada e transferidos para o controlador do robô, que direciona os movimentos para melhor ajuste. “O robô chamado da Vinci Surgi cal Robot, que é aprovado pelos EUA Food and Drug Administration (FDA), foi utilizado para realizar a cirurgia abdominal” (NIKU, 2001).

Pessoas com deficiência: Segundo Saeed Niku, 2001 um estudo foi realizado com um pequeno robô de mesa para se comunicar com pessoas deficientes e executar tarefas como colocar comida no micro ondas e entregar para a pessoa comer, entre outras funções.

Ambientes perigosos: Os robôs são criados e adaptados para sobreviverem em ambientes grosseiros, onde mesmo a vida humana não suportaria. Por exemplo em ambientes com elevados níveis de temperatura, radiação, como os robôs não se tem uma preocupação que se teria com o ser humano;

Localizações, espaço e distância: Robôs são usados para exploração de lugares, planetas e ate explorações Ouvir.

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Ler fonética subaquáticas e veículos submergíveis entre outras aplicações, um tele-robô é utilizado na microcirurgia, com o intuito de repetir os movimentos do cirurgião.

Outros tipos de robôs com aplicabilidade diferentes destes comentados anteriormente, podemos citar: robôs que imitam insetos, com aparência humana, robôs utilizados em operações médicas, ou para entretenimento. Outra área que é algo relacionado com a robótica e as suas aplicações está Micro - Electro - Mecânica - System (MEMS). Estes são os dispositivos micro nível que são projetados para desempenhar funções dentro de um sistema, que pode incluir tarefas médicas, mecânica, elétrica e física. Por exemplo, um dispositivo robótico micro nível podem ser enviadas através das veias principais do coração para as funções de exploração ou cirúrgicas.

  • IMPACTO SOCIAL

A grande questão da robótica, na sociedade, é que se precisa considerar problemas sociais e econômicos que surgem como cada vez mais trabalhadores desempregados. Segundo Saeed Niku, 2001 umas das negociações dos fabricantes de automóveis e da United Auto Workers (UAW) é a quantidade de postos de trabalho para homens e a taxa de robôs utilizados. Mas esta questão está sendo estudada e analisada. Mas em termos de Brasil, apesar da robótica está avançando, mesmo devagar, este impacto tem se estendido e mais tecnologias tem chegado e melhorando os processos.

  • CONSIDERAÇÕES FINAIS

Conclui-se neste artigo, que apresentamos os fundamentos da robótica, que nos permitiu compreender melhor as situações em que os robôs são utilizados, vimos as variedades de linguagens de programação utilizadas, assim como também as aplicações que abrange toda a robótica. Portanto o termo robótica é algo bem extenso e ao mesmo tempo fascinaste que vem crescendo a cada dia, claro que se compararmos o Brasil com países desenvolvidos, a diferença é ainda grande, mas passos têm sido dados na busca da qualidade, do melhor produto, do menor custo e do sucesso.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/1150-conhecendo-o-rob-scara?showall=&start=1

NIKU, B. S. Introduction to robotics: Analysis, systems, aplications. New Jersey: Prentice Hall, 2001.

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