2.2.1 Erro de posicionamento, repetibilidade e precisão
Segundo Pazos, 2002, a repetibilidade de um manipulador representa a sua capacidade de retornar repetidamente a um ponto determinado do espaço de trabalho. Quando o manipulador
encontra-se em um ponto determinado e então vai para um outro ponto qualquer, ao retornar ao primeiro ponto ele não se encontrará exatamente nas coordenadas originais; a distância entre o ponto onde o robô se encontra e o ponto onde ele deveria estar é chamado de erro de posicionamento. O conceito de “repetibilidade” está associado ao raio da menor esfera que envolve todos os pontos de retorno possíveis. Por outro lado, “precisão” é um conceito associado à capacidade do robô de atingir um ponto especificado, podendo ser interpretado como a distância entre o centro da esfera de repetibilidade e o ponto desejado.
A norma ISO 9283 define os testes que devem ser realizados para averiguação da precisão e repetibilidade de um manipulador robótico. Estes devem ser realizados várias vezes com várias cargas e velocidades, relativas às capacidades nominais do robô, sobre vários pontos do domínio de trabalho. Segundo a norma, os valores nominais são os mais desfavoráveis encontrados.
Greenway, 2000, afirma que historicamente a repetibilidade constituiu a característica mais importante, pois a programação feita com referência a pontos físicos, reais, tende a compensar os erros sistemáticos que provocavam a perda de precisão. No entanto, atualmente os robôs devem ser capazes de executar uma trajetória gerada por programas CAD ou outros sistemas externos, como sistemas de visão, o que requer uma alta precisão além de boa repetibilidade.
Segundo Schneider et al., 2016, os erros de posição de um robô podem ser divididos em erros dependentes do ambiente, erros de processo e erros do robô. Erros do ambiente dependem do espaço onde o robô é instalado, e portanto não podem ser reduzidos na etapa de projeto. Geralmente, este tipo de erro tem pouca influência no balanço global de erros. Erros dependentes do processo ocorrem devido às forças estáticas e dinâmicas decorrentes da execução da tarefa do robô. Este tipo de erro é mais importante quando a tarefa envolve vibrações, como é o caso da usinagem, e uma estimativa para seu valor depende de uma análise detalhada do processo. Os erros do robô são os mais importantes para este trabalho, e podem ser divididos em: erros geométricos, erros não geométricos, e erros do sistema.
Os erros geométricos são compostos pelos erros de tolerância e folgas de fabricação, folgas nas juntas e acoplamentos, e não linearidades nos atuadores. Kubela et al., 2015, mostra que em robôs elétricos uma fonte de erro considerável é o erro de folga dos motores, que é causado pelas diferenças geométricas nas engrenagens e ocorre quando a direção de movimento é invertida. Em robôs hidráulicos, a não linearidade das servoválvulas, principalmente na região central de abertura, causa um efeito similar. Estes erros podem ser compensados pelo controle, se for possível prevê-los com precisão.
Os erros não geométricos são causados pela deformação dos elos e juntas, desgaste das juntas, movimento adere-desliza devido ao atrito, e histerese nos atuadores. Em um robô com servoatuadores elétricos a principal causa de erros por flexibilidade do robô é a baixa rigidez das juntas, devido à presença de um sistema de engrenagens na redução dos servomotores. Mesmo assim, segundo Dumas et al., 2011, até 25% dos erros de posição podem ser causados pela deformação dos elos. No caso de um robô com atuadores lineares hidráulicos, a maior causa de deformação é devido à flexibilidade dos elos e dos pontos de acoplamento, pois o fluido de trabalho possui um rigidez elevada. Assim, é importante a construção de elos com alta rigidez.
Os erros de sistema são devidos aos erros de calibração, de medição dos sensores, do controle, e numéricos no sistema de processamento. No caso de robôs hidráulicos, o erro de posicionamento do braço será proporcional ao erro de posicionamento dos atuadores, que depende dos sensores e do método de controle utilizados. O mecanismo do braço pode amplificar ou reduzir este erro, devido à relação mecânica entre o deslocamento de um atuador e o deslocamento do efetuador do robô.
2.2.2 Velocidade e aceleração
A velocidade e aceleração de um robô geralmente são dadas em graus por segundo, ou radianos por segundo, para cada junta. É necessário investigar a cinemática do robô para obter as velocidades e acelerações, as quais dependem da posição, em um sistema cartesiano, como mostrado posteriormente na Seção 3.1. Os “valores nominais do robô” são aqueles que ele é capaz de atingir em qualquer ponto do seu volume de trabalho, quando carregado com sua carga nominal. Geralmente, um robô possui uma maior agilidade em certos pontos, ou quando mais brandamente carregado.
2.2.3 Capacidade de carga
A capacidade de carga nominal do robô é aquela para a qual ele é projetado para movimentar. É geralmente medida em quilogramas, porém a distância entre o centro de massa do objeto e o extremo do robô também influencia a capacidade de carregamento: quanto maior a distância, maior o esforço que ele precisa fazer.
Uma procura em catálogos de fabricantes de robôs industriais mostra que eles tipicamente possuem capacidades entre 3 kg e 20 kg, embora os de maior porte podem suportar 800 kg ou até 2300 kg no caso do Fanuc® M-2000iA/2300. Os robôs geralmente possuem sensores
capazes de interromper o seu funcionamento se for detectada sobrecarga, de modo a evitar danos aos seus motores ou mesmo à sua estrutura.
2.2.4 Espaço de trabalho
Pade e Sastry, 1988, fazem uma distinção entre o espaço de trabalho alcançável e o espaço de trabalho de manipulação (dextrous workspace). O primeiro consiste do conjunto de todos os pontos alcançáveis por um ponto fixo ao braço, que geralmente é tido como o ponto de intersecção dos eixos das juntas do punho. Este ponto é no âmbito do presente trabalho chamado de “extremidade do braço”, por simplicidade. Já, o espaço de trabalho de manipulação é a região do espaço de trabalho alcançável em que o punho pode assumir uma orientação arbitrária. No entanto, para que isto seja possível, o robô deve possuir pelo menos uma redundância. Por exemplo, no caso de robôs manipuladores geralmente existem pontos alcançáveis com o cotovelo para baixo e para cima. Se o robô não possui uma redundância como esta, então ele não possuirá nenhum ponto em que a orientação do punho será totalmente arbitrária, pois algumas orientações causariam colisões com o elo onde o punho está fixado.
Neste trabalho também é feita uma distinção entre o espaço de trabalho total, ou natural, e o espaço de trabalho prismático, mostrados na Figura 2.4. O primeiro é o conjunto de todos os pontos que o robô pode alcançar, enquanto que o segundo é uma região do espaço, pré- definida pelo projetista sobre um sistema de coordenadas cartesiano, onde as tarefas do robô são realizadas, constituindo assim o espaço de interesse.