Ferramentas Computacionais para Prototipagem Rápida de Sistemas Mecatrônicos

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Ferramentas Computacionais

para Prototipagem Rápida de

Sistemas Mecatrônicos

Prof. Dr. João Mauricio Rosário

Laboratório de Automação Integrada e Robótica UNICAMP - Faculdade de Engenharia Mecânica

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Resumo

Tendências importantes são observadas no projeto de

Ferramentas Computacionais para

Prototipagem Rápida de Sistemas

Mecatrônicos

Tendências importantes são observadas no projeto de

máquinas e equipamentos no âmbito mundial com a

utilização de sistemas computacionais e mecânica de precisão

associados aos requisitos impostos de qualidade e de

produtividade.

São

apresentadas

tendências

e

fatores

relevantes da evolução da robótica e seus periféricos, projeto,

especificação e instalação.

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Automação Industrial

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Automação Industrial

(Visão Abrangente)

Integração de conhecimentos substituindo a

observação, esforços e decisões humanas por

dispositivos

(mecânicos,

elétricos,

entre

(Fonte: ABDI, 2011)

dispositivos

(mecânicos,

elétricos,

entre

outros) e software concebido através de

especificações funcionais e tecnológicas e

metodologias.

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1. 1. Componente

Componente

Circuitos integrados, sensores, atuadores, mecanismos;

2. Máquina

Máquinas de usinagem, medição, inspeção, sistemas de

movimentação, embalagem;

3. Sistema

FMS – Sistemas Flexíveis de Manufatura,

FAS – Sistema de Automação de Fabrica,

CIM – Sistemas Integrados de Manufatura.

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Nível 6: Gestão e Gerenciamento da Produção Industrial.

Nível 5: Controle de Processos Industriais;

Nível 4: Células Integradas de Automação da Manufatura;

Nível 3: Gerenciamento: Servidores e Estações de Trabalhos;

Nível 2: Equipamentos e Máquinas Industriais;

Nível 1: Chão de Fábrica constituído de sensores e atuadores Industriais;

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• Simplificação do sistema mecânico;

• Redução de tempo e de custo de desenvolvimento;

• Facilidade de se introduzir modificações ou novas

capacidades;

• Flexibilidade para receber futuras modificações ou novas

funcionalidades.

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• Flexibilidade de operação: programabilidade;

• Inteligência: capacidade para sensoriamento e processamento das informações, permitindo assim, a adaptação a diferentes condições de operação;

• Auto-monitoramento e prevenção ativa de acidentes; • Auto-diagnóstico em caso de falhas;

• Redução do custo de manutenção e consumo de energia; • Elevado grau de precisão e confiabilidade.

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Integração de conhecimentos de áreas tradicionais

como a Engenharia Mecânica, Eletrônica, Controle

e

Computação

de

forma

integrada

e

concorrente...

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Máquina de manipulação com vários graus de liberdade, controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para a utilização em aplicações de automação industrial” Fonte: Norma técnica ISO 10218.

O campo da Robótica Industrial pode ser definido como o estudo, desenvolvimento e uso de Sistemas Robóticos para a Manufatura. As aplicações típicas dos Robôs Industriais incluem fundição, pintura, soldagem, montagem, movimentação de cargas, inspeção de produtos, e realização de teste, tudo realizado com uma precisão, velocidade, e robustez relativamente elevadas.

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Robótica no Contexto da Automação

Integrada

Evolução Integração Robótica Serial e Paralela Robótica Humanóide Robótica Colaborativa 17 Integração Serial e Paralela

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Robótica Industrial

Dispositivos e Sistemas

Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle 18 Ferramentas e Dispositivos Garras e Ferramentas Biomecatrônica

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Robótica Industrial

Dispositivos e Sistemas

Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle Concepção Cinemática Serial Paralelos Móveis Humanóides 19 Ferramentas e Dispositivos Garras e Ferramentas Biomecatrônica

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Robótica Industrial

Dispositivos e Sistemas

Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle Concepção Cinemática Serial Paralelos Móveis Humanóides 20 Ferramentas e Dispositivos Garras e Ferramentas Biomecatrônica

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Robótica Industrial

Dispositivos e Sistemas

Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle 21 Ferramentas e Dispositivos Antropomórficos Garras e Ferramentas Biomecatrônica Sistema de Acionamento e Controle

Sistema de Acionamento e Transmissão Mecânica

Sensores e Atuadores

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Robótica Industrial

Dispositivos e Sistemas

Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle 22 Ferramentas e Dispositivos Antropomórficos Garras e Ferramentas Biomecatrônica Sistema de Acionamento e Controle

Sistema de Acionamento e Transmissão Mecânica

Sensores e Atuadores

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Robótica Industrial

Dispositivos e Sistemas

Sistemas Robóticos Concepção Cinemática Acionamento e Controle 23 Ferramentas e Dispositivos Antropomórficos Garras e Ferramentas Biomecatrônica

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Planejamento Atuadores Sensores Controlador Mecanismo

Robô SCARA (RRP) Robô coordenadas

polares (RRP) Mesa coordenadas

cartesianas (PPP)

Robô coordenadas cilíndricas (RPP)

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Robôs Paralelos

Delta (ABB FlexPicker-IRB340)

Orthoglide (Pashkevich et al., 2006)

Eye Eagle (Gosselin et al. 1999)

HEXA (Toyoda)

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• Robô com Estrutura Serial x Paralelo

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Robotino (FESTO)

Robôs móveis

Rocky IV (NASA) _{Rocky IV (NASA)}

Asuro

Electrolux (2 milhões de limpadores vendidos

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Robôs Aéreos

Global Hawck Configuração Tradicional

Dualrotor Trirotor

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Quadrotor

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Robôs Móveis

Estrutura Mecânica

• Rodas Onidirecionais;

• 3 motores DC com redutores; • Mobilidade em qualquer direção;

• Chassis em aço com barra protetora de borracha; • Fácil acesso às baterias;

• Fácil acesso às baterias;

• Fácil acesso à rodas, motores e transmissão; Sensores:

•9 sensores infra-vermelho para distância •Sensor indutivo analógico

•Sistema de Visão -câmera Web USB •Sensores ópticos digitais

Plataforma aberta para inserção de outros sensores:

•Sensores ultra-sônicos •Sensor de Navegação •8 entradas e saídas digitais •10 entradas analógicas •2 relês

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Robôs Móveis

Arquitetura de Controle

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Robô Humanóide

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Robôs Humanóides

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Robô Humanóide Nao

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Robôs Especiais

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Critérios utilizados para Seleção de

Critérios utilizados para Seleção de MotoresMotores

Acionamento elètrico Características Positivas Características Negativas Aplicações Motor de Passo (Stepper Motors) • Baixo Custo • Não necessita de realimentação de posição

• Bom torque até o final do

• Apresenta ruído e ressonância;

• Apresenta torque ruim a altas velocidades;

• Posicionamento • Micromovimento

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(Stepper Motors) • Bom torque até o final do curso a baixa velocidade • Bom para posicionamento

básico

altas velocidades; • Não é bom para cargas

variáveis.

Brushed Motors (Motor com

Escovas)

•Custo Relativamente Baixo •Velocidade Moderada •Usa drives simples

• Necessita manutenção; • Não é bom para ambientes

limpos; • Apresenta faíscas elétricas; • Requer realimentação . • Controle de Velocidade • Controle de alto desempenho Brushless Motors (Motor sem Escovas) •Sem manutenção •Longo tempo de vida •Alta velocidade

•Bom para ambientes limpos

•Alto custo; •Usa drives mais complicados;

•Requer realimentação.

• Robótica • Pick and place

• Torque muito alto ou aplicações rápidas

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Tipos de Sistemas de transmissão mecânica Tipos de Sistemas de transmissão mecânica

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ROBÔ INDUSTRIAL

SISTEMA DE ACIONAMENTO E CONTROLE

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Estrutura de Controle de um Robô Industrial

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O objetivo das ferramentas é realizar uma ação

ou trabalho sobre uma peça , como soldar,

pintar, cortar.

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Efetuadores finais

Têm como vantagem projeto mecânico de concepção simples confiabilidade _{custos de manutenção reduzidos.}

Diferentes tarefas, com a utilização de um único robô numero variado

Diferentes tarefas, com a utilização de um único robô numero variado de opções com diferentes efetuadores finais.

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Garras antropomórficas

A mão humana

_{efetuador final com grande destreza}

diferentes objetos

_{ferramentas em diversas atividades.}

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Dispositivos Biomecatrônicos

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Próteses e Órteses Antropomórficas

Estáticas ou Não funcionais

Membros Superiores

46 Estáticas ou Não funcionais Membros Inferiores Membros Superiores Mioelétricas Híbridas

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Dispositivos de Locomoção

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Robótica Industrial

Integração e Tecnologias

Prototipagem Rápida Integração de Sistemas Realidade Virtual

Sistema Embarcado

48

Teleoperação Cadeia Produtiva

Programação Offline Segurança e Manutenção Sistema de Inspeção

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Modelagem de sistemas a eventos

49 GRAFCET

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A prototipagem rápida pode ser definida com o conjunto de metodologias (associadas a ferramentas) que permitem a construção de protótipos computacionais de uma maneira econômica e segura, reduzindo custos e o ciclo de concepção de um produto. Dentre as principais vantagens da utilização de Sistemas de Prototipagem Rápida em Mecatrônica podemos citar as seguintes:

Prototipagem Rápida de Sistemas

Mecatrônicos

Sistemas de Prototipagem Rápida em Mecatrônica podemos citar as seguintes: • Detecção mais rápida de possíveis erros decorrentes da fase de implementação de um projeto, acarretando um menor custo de correção e/ou modificação do projeto,

• Concepção dentro de um ambiente de simulação e prototipagem comum, acarretando de tal modo na economia no desenvolvimento do projeto atual e de futuros projetos,

•Ambiente apropriado para Engenharia Colaborativa, com forte integração e conceito de equipe de trabalho.

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A prototipagem rápida, que pode ser feita em vários níveis de abstração, três fases se apresentam como representantes deste ciclo integrado:

a) Modelagem do sistema físico, b) Visualização do modelo funcional

c) Descrição funcional do software/hardware a ser implementado.

Prototipagem Rápida de Sistemas Mecatrônicos

c) Descrição funcional do software/hardware a ser implementado. d) Simulação

Inicialmente, esse conceito era muito utilizado anteriormente para a construção de protótipos de peças mecânicas a partir de um projeto desenvolvido em CAD (Computer Aided Design) ou da implementação de componentes eletrônicos em FPGA’s a partir de um CAD de eletrônica. Mais recentemente, esse conceito é utilizado de forma mais ampla, envolvendo a concepção de todo um projeto de um sistema mecatrônico desde as fases de modelagem, simulação e arquitetura de controlador até a sua implementação final em hardware dedicado.

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Prototipagem Rápida em Célula Flexível de

Manufatura

O conceito de prototipagem rápida em células flexíveis de manufatura refere-se à integração de diferentes dispositivos em células automatizadas de manufatura.

52

Prototipagem Rápida

Prototipagem Mecânica Prototipagem Elétrica Prototipagem Virtual

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Modelagem CAD

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Programação Offline

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Teleoperação:

Técnicas utilizadas para manipular

objetos e efetuar operações a distância, por

exemplo uma pessoa comanda um robô distante.

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Teleoperação:

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Arquiteturas de Controle em Sistemas Embarcados

na Prototipagem Rápida

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Introdução

Sistemas de Controle

Desenvolvimento da arquitetura de controle •Tempo de produção • Custos •Planejamento 58 Desenvolvimento do produto Simulação & Emulação Modelos integrados em Tempo Real

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Etapas do desenvolvimento de Sistemas de

Controle

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1. Analise do sistema.

2. Projeto do controlador: modelos do controlador são desenvolvidos e testados pela simulação. 3. Implementação: O código C-code, para sistemas

embebidos é automaticamente gerado para os modelos de controle.

Sistemas de Controle

Baseado no Modelo

4. Test: O código é executado desde uma placa eletrônica como unidade de Controle ECU (Electronic Control Unit.

5. Ajuste: Modelo e emulação do sistema atual.

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Sistemas de Controle

Baseado no Modelo

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Integração de sistemas de controle

Baseado no Modelo

Model in the Loop

SIL

Software in the Loop

Process in the Loop

Integração de Controladores

Malha Fechada

MIL

HIL

PIL

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Conceitos M-S-P-H- In The Loop

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Simulação hardware-in-the-loop

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Conceitos M-S-P-H- In The Loop

(66)

•O modelo existe na ferramenta de simulação

(Simulink-Stateflow)

•Ótimo para desenvolver algoritmos de controle

MIL: Model in the Loop

(67)

•O modelo existe na ferramenta de simulação

(Simulink-Stateflow) e parte em código de execução C-code, S-funtion

•Ótimo para desenvolver algoritmos de controle

SIL: Software in the Loop

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•Parte do modelo é executado no simulador em tempo real,

e a outra parte esta no hardware físico.

•Ótimo para testes e interação com o hardware.

HIL: Hardware in the Loop

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•No teste dos modelos é feito utilizando placas com

processadores embarcados

.

PIL: Processor in the Loop

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(72)

Simscape modelagem de mecânica básica, sistemas elétricos e hidráulicos

SimHydraulics modelagem de sistemas hidráulicos

MATLAB

Ferramentas para simulação e emulação

hidráulicos

SimMechanics modelagem tridimensional de sistemas mecânicos SimDriveline modelagem de sistemas de

transmissão de automóveis

SimElectronics modelagem de circuitos eletrônicos SimPowerSyst ems modelagem de sistemas de energia, acionamentos e eletrônica de potência

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(74)

Simulador Virtual (Cinemático + Dinâmico)

PlanejamentoPlanejamento AtuadoresAtuadores SensoresSensores ControladorControlador MecanismoMecanismo

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LABVIEW

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Dispositivos

77

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TIPO

PID FUZZY PID-FUZZY FUZZY HÍBRIDO

Arquiteturas de Controle em sistemas

embarcados

FUZZY HÍBRIDO PREDITIVO REDE NEURAL

ADAPTATIVO(PREDITIVO)

CONTROLE COM OBSERVADORES E OTIMIZAÇÃO NÃO LINEAR OPTIMAL FRACTIONAL ORDER PROPORTIONAL INTEGRAL (OFOPI)

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ETAPAS

_PID

1.PROJETO Implementação de um controlador PID embarcado para o

controle em malha fechada de um estimulador neuromuscular funcional 2.MODELAGEM 3.ESTRUTURA SOFTWARE-HARDWARE 4.IMPLEMENTAÇÃO 1. MATLAB 2. PROTEUS 3. Microcontrolador PIC18F4520

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Controlador PID embarcado

1. Modelo do sistema

2. Controlador PID 2. Controlador PID

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• Tamanho da palavra: Microcomputadores com tamanhos de palavra de 8, 16 ou 32 bits

• Resolução dos conversores A/D- D/A: Resolução básica dos conversores D/A é em torno de 10 bits e dos conversores A/D é de 8 a 16 bits

Controlador PID embarcado

3. Características digitais:

• Resolução mínima do conversor AD

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Controlador PID embarcado

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P= K*erro

I= I_ant+{K*T}*{2*T_i}*(erro+erro_ant}/{(2*T_i)} D= (pT-2)/(pT+2)}*D_ant +

(2*K*T_d)/(T*(pT+2))*(erro-erro_ant)

Controlador PID embarcado

5. PID-Emulação no sistema embarcado: (2*K*T_d)/(T*(pT+2))*(erro-erro_ant) sinal_controle = P + I + D erro_ant=erro D_ant = D

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Ferramentas Computacionais

para Prototipagem Rápida de

Sistemas Mecatrônicos

Prof. Dr. João Maurício Rosário rosario@fem.unicamp.br