Regra geral um robô possui quatro constituintes principais: estrutura mecânica, atuadores, sensores e elemento de controlo.
3.2.1 Estrutura mecânica
A estrutura mecânica ou manipulador consiste numa sequência de corpos rígidos ou elos conectados por meio de articulações ou juntas. Um manipulador é caracterizado por um elemento fixo, denominado base, um braço que garante mobilidade, um pulso que confere destreza e uma extremidade final, um efetor, que executa a tarefa exigida. O movimento geral da estrutura é caracterizada pela junção dos movimentos secundários de cada um dos elos e pode ser descrito por um sistema de equações que constitui o que se designa por cinemática direta de uma estrutura robótica. O inverso, as equações que definem o movimento dada a pose do seu efetor e conhecendo as dimensões dos seus elos é chamado de cinemática inversa.
A mobilidade do manipulador é assegurada pela presença de articulações. A articulação entre dois elos consecutivos pode ser classificada em dois tipos: articulação prismática e de revolução ou rotativa. Uma junta prismática realiza um movimento de translação relativo entre dois elos, enquanto que uma junta do tipo rotativa realiza um movimento rotacional. Normalmente, as juntas do segundo tipo são preferíveis às juntas prismáticas, devido a serem mais compactas e apresentarem maior fiabilidade.
A estrutura mais utilizada num manipulador é a cadeia cinemática aberta, denominada assim quando há apenas uma sequência de elos a ligar as duas extremidades da cadeia. Os robôs configurados deste modo denominam-se robôs em série. Alternativamente, um manipulador pode conter uma cadeia cinemática fechada quando numa sequência de elos o último está ligado ao primeiro, formando um ciclo fechado. Robôs que possuem esta configuração são designados por robôs em paralelo. Numa cadeia cinemática aberta, cada junta fornece à estrutura um único grau de mobilidade. Por outro lado, numa cadeia cinemática fechada, o número de graus de mobilidade é menor que o número de articulações por causa das restrições impostas pelo ciclo fechado.
Os graus de mobilidade devem ser adequadamente distribuídos ao longo da estrutura mecânica, a fim de fornecer os graus de liberdade necessários para a execução de uma determinada tarefa. As juntas são os elementos responsáveis por fornecer os graus de liberdade. No caso mais geral de uma tarefa que consiste em posicionar e orientar arbitrariamente um objeto no espaço tridimensional, são necessários seis graus de liberdade, três para posicionar um ponto no objeto e três para orientar o objeto em relação a um referencial de coordenadas. Se houver mais graus de mobilidade do que graus de liberdade, o manipulador é considerado cinematicamente redundante[45, 46].
Classificação de estruturas mecânicas
O tipo e sequência dos graus de mobilidade do braço, a partir da articulação da base, permite classificar os manipuladores como: cartesianos, cilíndricos, esféricos, SCARA e antropomórficos.
A geometria cartesiana é composta por três juntas prismáticas cujos eixos são ortogonais entre si. Cada grau de mobilidade corresponde a um grau de liberdade no espaço cartesiano e, portanto, realiza movimentos retos no espaço. A estrutura cartesiana oferece uma rigidez mecânica muito boa. A precisão do posicionamento do pulso é constante em todas as posições, contudo a destreza é reduzida, pois todas as juntas são prismáticas. Os manipuladores deste tipo são utilizados no manuseio e montagem de materiais. Os motores que atuam nas articulações de um manipulador cartesiano são tipicamente elétricos e, ocasionalmente, pneumáticos.
A geometria cilíndrica difere da cartesiana na medida em que a primeira junta prismática é substituída por uma junta de revolução. Neste caso são é usado um sistema de coordenadas cilíndricas e a cada grau de mobilidade corresponde a um grau de liberdade. Trata-se de uma estrutura que oferece boa rigidez mecânica. A precisão do posicionamento do pulso diminui à medida que o movimento horizontal aumenta. Os manipuladores cilíndricos são aplicados principalmente ao transporte de objetos, suportando cargas brutas; em tal caso, o uso de motores hidráulicos deve ser preferido ao dos motores elétricos.
O manipulador esférico difere do cilíndrico a nível da segunda junta, que é uma junta de revolução. Cada grau de mobilidade corresponde a um grau de liberdade, sendo utilizadas coordenadas esféricas neste caso. A rigidez mecânica é menor que as duas geometrias acima e a construção mecânica é mais complexa. A precisão do posicionamento do pulso diminui à medida que o movimento radial aumenta. Os manipuladores esféricos são empregados principalmente para operações de maquinagem. Motores elétricos são normalmente usados para acionar as articulações.
A geometria SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) é uma geometria especial. É constituída por duas juntas de revolução e uma junta prismática de modo que todos os eixos de movimento sejam paralelos. Trata-se de uma estrutura que oferece alta rigidez a cargas verticais e conformidade em esforços horizontais. A precisão do posicionamento do pulso diminui à medida que aumenta a distância do pulso em relação ao primeiro eixo da articulação. O manipulador SCARA é adequado para manipulação de pequenos objetos; articulações são acionadas por motores elétricos.
A geometria antropomórfica é constituída por três juntas de revolução; o eixo de revolução da primeira articulação é ortogonal aos eixos dos outros dois que são paralelos entre si. Em virtude de sua semelhança com o braço humano, a segunda articulação é designada de ombro e a terceira articulação é o cotovelo, uma vez que conecta o "braço" com o "antebraço". A estrutura antropomórfica é a mais ágil, já que todas as juntas são revolutas. Por outro lado, a correspondência entre os graus de mobilidade e os graus de liberdade é perdida e a precisão do posicionamento do pulso varia dentro do espaço de trabalho. As juntas são tipicamente acionadas por motores elétricos. A gama de aplicações industriais de manipuladores antropomórficos é ampla[46].
3.2.2 Atuadores
O conjunto de atuadores de um robô denomina-se sistema de acionamento e são estes componentes os responsáveis por fornecer a energia necessária para o movimento do equipamento. Os requisitos mais procurados na escolha deste tipo componente são geralmente: elevada gama de velocidades, capacidade de aceleração elevada, binário elevado e relação peso- potência o mais alta possível.
No sistema de acionamento incluem-se a transmissão, que pode ser conseguida através de engrenagens, correias ou parafusos de avanço, a fonte de alimentação e o motor. As soluções de acionamento são de três tipos: hidráulicas, pneumáticas e elétricas. As do tipo hidráulico providenciam uma enorme quantidade de força e binário, sendo assim indicadas para deslocação de cargas elevadas, porém necessitam de maior manutenção. As abordagens elétricas são feitas através de motores passo-a-passo ou servomotores e apesar de fornecerem menos força, são mais facilmente controláveis e fiáveis, apresentam elevada eficiência e um menor custo relativamente á solução anterior. A terceira solução, acionamento pneumático, envolve igualmente baixo custo, mas disponibiliza uma força bastante reduzida, sendo, portanto, adequada apenas a um número restrito de aplicações[46, 47].
3.2.3 Sensores
que o rodeia, aumentando o grau de autonomia do sistema e permitindo deste modo a interação da máquina e sua vizinhança. Podem-se classificar quanto ao seu alvo de medição como propriocetivos, os que medem o estado interno do manipulador, a nível de posição, velocidade e binário das juntas e exterocetivos, que fornecem ao robô o conhecimento do ambiente circundante. Neste último grupo incluem-se os sensores de força, sensores táteis, os de proximidade, os de alcance e os de visão. Os mais utilizados são os sensores de posição, transdutores de velocidade, sensores de força e sensores de visão.
O objetivo dos transdutores de posição é fornecer um sinal elétrico proporcional ao deslocamento linear ou angular de um aparelho mecânico em relação a uma dada posição de referência. Para medir deslocamento angular destacam-se os encoders, resolvers, sendo estes os que apresentam maior robustez, ou potenciómetros. Em termos de medição de deslocações lineares são usados também os potenciómetros, os LVDT (linear variable-differential transformers) e encoders do tipo linear. No que diz respeito à medição da velocidade são empregues geralmente dois dispositivos: taquímetros DC e AC. Entre os sensores de força contam-se as células de carga e os extensómetros e nos sensores de visão destacam-se as câmaras, os do tipo CCD (Charged Coupled Device) e os CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)[46].
3.2.4 Elemento de controlo
O controlador é o componente cerebral do robô. Trata-se do elemento responsável pela monitorização do comportamento da máquina. É constituído por uma unidade de memória, um processador, por slots de entrada e saída, que possibilita ligação ao equipamento, e pelo driver correspondentes ao motor, no caso de se tratar de um sistema de acionamento elétrico. O principal papel do controlador prende-se com o planeamento da trajetória de movimento a realizar pelo robô, sendo necessário ter em conta os movimentos secundários efetuados por cada junta da estrutura mecânica, através de uma programação que tem como finalidade reger o dito movimento ao longo de um período de tempo.
Este controlo de trajetória pode ser executado de duas maneiras distintas: controlo ponto-a-ponto ou controlo contínuo. Na trajetória ponto-a-ponto, o manipulador tem que se mover desde uma posição inicial para uma configuração final em um dado tempo, tendo como comando um algoritmo que gera uma trajetória a partir de um conjunto de coordenadas definidas no espaço sem monotorização do movimento entre pontos. Nesse caso, a trajetória do efetor não é uma preocupação. A trajetória contínua é ideal para aplicações mais complexas, por permitir um controlo durante todo movimento ao longo da sequência de pontos. Estes pontos devem ser especificados mais densamente nos segmentos da trajetória onde é necessário evitar obstáculos ou onde é esperado um elevado desnível no caminho.
Em termos mais gerais o controlo pode ser feito em dois esquemas: controlo no espaço das juntas ou controlo no espaço operacional. O problema do controlo do espaço das articulações é, na verdade, articulado em dois subproblemas. Primeiro, as equações de cinemática inversa do manipulador são utlizadas para transformar os requisitos de movimento do espaço operacional para o espaço da juntas. Só depois é projetado um esquema de controlo do espaço das juntas que permite o rastreamento das entradas de referência. O controlo no espaço operacional segue uma abordagem global que requer uma maior complexidade algorítmica. A vantagem que este esquema oferece diz respeito à possibilidade de atuar diretamente sobre variáveis do espaço operacional.