O conceito escolhido para estudo é um robô antropomórfico com atuadores lineares diretamente acoplados aos elos. Esta escolha se deve à sua relativa simplicidade, e porque utiliza os atuadores hidráulicos convencionais fabricados pela Parker®. Um exemplo deste tipo de robô pode ser visualizado na Figura 1.2.
Figura 1.2 – Conceito de um robô hidráulico estudado no presente trabalho
Um robô hidráulico pode não ser necessariamente o mais indicado para uma dada tarefa. Portanto, é importante ser capaz de antecipar o desempenho que um robô teria, antes de ser construído um protótipo. Com esta informação, o processo de escolha do tipo de robô mais adequado é facilitado, pois o projetista conhecerá previamente as capacidades e desempenho que um robô hidráulico poderia ter, podendo estimar inclusive o seu erro de posicionamento, o que permite a sua comparação com outros tipos de robôs.
O desenvolvimento de um robô com atuadores lineares é mais complicado do que o de um robô com atuadores rotacionais. No caso dos robôs com atuadores rotacionais, existem várias características que podem ser maximizadas, como o tamanho do volume de trabalho. Em contrapartida, no caso dos robôs com atuadores lineares, a maximização destas características pode causar consequências negativas em outras características do robô, como a diminuição da precisão, o que requer um maior cuidado nas definições dos parâmetros. Isto é feito buscando- se um balanço entre as características. Além disto, existem mais parâmetros a serem definidos, como a posição dos pontos onde os atuadores são acoplados aos elos.
Já foi mencionado que uma característica geralmente importante dos robôs é a sua versatilidade. No entanto, o tipo de robô estudado neste trabalho possui uma versatilidade menor do que os robôs elétricos convencionais. Isto porque, apesar dos robôs hidráulicos poderem ser reprogramados e utilizados para diferentes tarefas, é importante que o desenvolvimento de um braço hidráulico tenha uma tarefa ou conjunto de tarefas como objetivo, devido ao mencionado no parágrafo anterior, para que possam ser escolhidos os balanços adequados entre as características. Desta forma, um manipulador com atuadores lineares poderá possuir um bom desempenho para realizar estas tarefas, mas provavelmente um menor desempenho para realizar outras tarefas, diminuindo assim a sua versatilidade. Assim, a limitação da versatilidade deve ser um fator a ser considerado quando se escolhe um robô com atuadores lineares ao invés de um com atuadores rotacionais.
Outro problema com o desenvolvimento de robôs hidráulicos é o maior custo dos componentes, como os atuadores, a bomba hidráulica e as servoválvulas, quando comparado com os motores elétricos e circuitos de potência utilizados em robôs convencionais. Para minimizar este custo, é importante que a escolha destas peças seja feita de modo adequado. 1.3.1 Estado da arte
Na literatura foram encontrados poucos trabalhos que focam na determinação da cinemática e no desenvolvimento da estrutura de robôs. Em seu livro, Rivin, 1987, menciona várias considerações importantes para o projeto de um braço manipulador, mas não apresenta detalhes da maioria delas e não trata de parâmetros importantes, como as dimensões dos elos. O enfoque também não é em robôs hidráulicos. Ainda assim, esta referência é uma boa fonte de informações de apoio à metodologia proposta neste trabalho, considerando aspectos complementares que não são detalhados no presente trabalho. Albers et al., 2007 e 2006, documentam o desenvolvimento de componentes para o robô humanoide AMAR III, onde uma otimização topológica é utilizada para determinar a estrutura ótima. Este tipo de otimização também é mostrada por Kim et al., 2016, onde a topologia ideal da base de um robô de pintura é determinada. No entanto, a metodologia apresentada nestas referências não é totalmente adequada para o desenvolvimento do braço considerado, devido aos elevados custos envolvidos na fabricação de peças otimizadas por este método. Li et al., 2017, apresentam um estudo sobre a otimização da posição dos elos e juntas do braço de uma escavadeira hidráulica. No entanto, a metodologia é focada na maximização da força que a pá aplica sobre o solo ao cavar, e, portanto, não pode ser diretamente aplicada ao projeto do
braço estudado. Zhang et al., 2013, mostram uma forma de otimizar o tamanho dos elos de um robô serial ou paralelo. O enfoque dado não é de aplicação a robôs hidráulicos, mas a sua metodologia pode ser adaptada, se for modificado o modelo cinemático do braço para considerar os atuadores lineares.
Devido aos motivos apresentados, é necessário o desenvolvimentos de novos métodos capazes de determinar os parâmetros ideais para um robô manipulador com atuadores hidráulicos lineares para uso em aplicação específica na indústria.
1.3.2 Proposta de uma solução
A solução proposta é o uso de algoritmos matemáticos, tanto diretos quanto numéricos, para o desenvolvimento de uma metodologia capaz de determinar alguns dos parâmetros necessários para a construção de um robô manipulador com atuadores lineares. Para verificação dos resultados obtidos por estes algoritmos, são realizadas comparações com
softwares comerciais e resultados encontrados na literatura.
O desenvolvimento de um robô é um processo complexo, e, portanto, este trabalho é limitado à determinação de alguns de seus parâmetros. O foco é apenas em uma parte do robô, o braço, e deste braço serão definidos apenas alguns parâmetros construtivos. Também não será feita uma análise aprofundada das tarefas que o robô deve realizar, devido à grande abrangência do assunto. Ao invés disto, assume-se que os requisitos das tarefas podem ser reduzidos a um conjunto de parâmetros, sendo eles o tamanho do espaço de trabalho, as velocidades e acelerações necessárias, e a capacidade de carga.
Primeiramente, será proposta uma metodologia para o cálculo dos parâmetros cinemáticos, que consistem dos comprimentos dos elos, dos cursos e limites angulares das juntas, e de um dos pontos de fixação de cada atuador. Para que isto seja possível, também devem ser calculadas a cinemática direta, inversa, e a matriz Jacobiana do braço.
Na segunda etapa será proposta uma metodologia para dimensionar a estrutura dos elos do braço, limitado à escolha de um conjunto de valores para as alturas das seções das vigas principais dos elos em alguns pontos de importância. Este dimensionamento é feito por meio de uma otimização, que busca minimizar as forças máximas que os atuadores devem aplicar durante a operação do braço, através da minimização da massa da estrutura, ao mesmo tempo em que mantém a rigidez acima de um valor mínimo, predeterminado pelo projetista. Para que isto seja possível, será feita uma análise estrutural pelo método dos elementos finitos, considerando carregamentos dinâmicos. Desta forma, a dinâmica do braço também será
calculada. Estão fora do escopo deste trabalho um dimensionamento dos rolamentos e outros detalhes estruturais, uma análise da vibração da estrutura do robô, ou uma análise das tensões estruturais.
Finalmente, será proposto um método para especificar os atuadores e a unidade de potência hidráulica adequada para o braço. São especificados componentes capazes de suprir as forças, pressões e vazões necessárias, calculadas com base em vários casos encontrados durante a operação nominal do braço. Estão fora do escopo desta especificação considerações como temperatura, duty-cycle, ou modos de vibração do fluido. Também não será feita uma analise detalhada da dinâmica do circuito hidráulico.