1.
INTRODUÇÃO
A automação ocupa lugar importante nas mais diversas atividades industriais. A robótica, em particular, está presente em um número cada vez maior de aplicações industriais, realizando tarefas difíceis ou impossíveis para os operadores, aumentando a precisão, a produtividade, a flexibilidade, reduzindo custos, dentre outras vantagens. Os robôs manipuladores iniciaram uma revolução industrial em setores tais como: manipulação de materiais, soldagem, montagens, pintura, etc. [1].
As indústrias nacionais aplicam uma quantidade relativamente reduzida de robôs em seus parques fabris comparando-se com as de países desenvolvidos. O mercado de robôs no Brasil está defasado se comparado com o potencial de sua economia, pois, enquanto a Espanha possui em torno de 4.000 robôs industriais, o Brasil só possui 850 unidades (dado de 1997). Os robôs instalados em nossas indústrias são importados de países da Europa, América do Norte e Japão, entre os fabricantes nacionais destacam-se a Villares-Hitachi, a Metrixer e a Romi. O Brasil precisa avançar mais na área da robótica por ser uma área estratégica, considerando as vantagens que o uso de robôs proporcionam para a indústria, tornando-a mais competitiva [2].
Este trabalho pretende mostrar algumas das etapas como a modelagem cinemática e dinâmica do anteprojeto do braço de um manipulador robótico.
1.1 BREVE HISTÓRICO DA ROBÓTICA
O grau de desenvolvimento tecnológico, adquirido ao longo da história da civilização ocidental, está diretamente associado ao conceito de evolução humana. A motivação de se criar máquinas para realizar o trabalho humano é característica da cultura ocidental. Diversas invenções propiciaram o conhecimento tecnológico necessário para substituir gradualmente o trabalho humano pela máquina, algumas das quais originaram a ciência da Robótica com especial ênfase nos robôs manipuladores [3]. Nesta seção são
apresentados, em ordem cronológica, alguns dos fatos e dispositivos da história recente que mais influenciaram na formação desta nova ciência [4]:
Joseph Marie Jacquard (1801) - desenvolvimento do tear programável através de cartões perfurados. A invenção de Jacquard é o primeiro dispositivo programável de que se tem notícia e foi tomado como base para o desenvolvimento de outros dispositivos programáveis desenvolvidos posteriormente.
• Chistopher Spencer (1830) - invenção do torno programável por cames1.
• Seward Babbitt (1892) - invenção do guindaste motorizado.
• Willard Pollard e Harold Roselund (1938) - projeto do primeiro mecanismo de movimentação de pistola de pintura programável para a companhia Devilbiss.
• George C. Devol (1946) - patenteia dispositivo para manuseio de materiais, com "memória programável".
• Raymond Goetz (1951) - projeta um manipulador remoto, um dispositivo mestre-escravo utilizado para movimentar materiais perigosos - radioativos.
• Em 1952 é construída pelo Laboratório de Servomecanismos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) a primeira máquina-ferramenta controlada por comando numérico (máquina NC2).
• C. W. Kenward (Inglaterra, 1954) - requer a patente da invenção do primeiro robô.
• George C. Devol (E.U.A.,1954) projeta e desenvolve o robô para transferência programada de peças para a Unimate. Esse dispositivo teve origem na combinação de duas novas tecnologias: o comando numérico e o manipulador remoto. A tecnologia NC permitia coordenar o funcionamento de uma máquina-ferramenta através da informação armazenada em programa. A aplicação dessa característica das máquinas NC em um manipulador remoto permitiu, então, a Devol criar um manipulador que pudesse ser programado e que funcionasse sem que uma pessoa o comandasse remotamente [5]. • Planet Corporation (1959) - introduz o primeiro robô comercial para movimentação de
peças, controlado por chaves fim-de-curso e cames.
• É lançado o primeiro robô Unimate hidráulico, pela Unimation (1960).
• Versatran - primeiro robô cilíndrico, projetado por Harry Johnson e Veljko Milenkovic é introduzido no mercado pela American Machinery Foundry Corporation.
• General Motors (1962) - instalação do primeiro robô industrial (Unimation) na linha de
1 Came é uma haste que transforma movimento circular em movimento retilíneo ou rotatório alternado.
produção.
• Aplicação das transformações homogêneas a cinemática do robô (1965).
• Desenvolvimento do braço robótico elétrico na universidade de Stanford (1970).
• Lançamento do primeiro robô industrial controlado por minicomputador, T3, projeto de Richad Hohn, na Cincinnati Milacrom (1973).
• Em 1974, nos EUA, o professor Victor Scheinman, projetista do robô de Stanford, comercializa a versão industrial para este modelo.
• Desenvolvimento do robô PUMA - (Programmed Universal Machine for Assembly) pela Unimation (1978).
• Desenvolvimento do robô SCARA (Selective Compliance Arm for Robotic Assembly), pela universidade Yamanashi (Japão,1979).
Todos estes fatos e invenções citadas, como o tear programável por cartões de Jacquard que deu origem aos dispositivos programáveis, o torno programável por cames de Spencer que deu origem as máquinas-ferramenta, o guindaste motorizado de Babbit que deu início aos estudos de articulações motorizadas, o mecanismo com memória programável para movimentação de materiais, associado ao conceito das máquinas-ferramenta, inspiraram Devol a projetar e desenvolver o robô para a Unimate.
Estas e as demais invenções, as aplicações de conceitos e conhecimentos citados é que possibilitaram o desenvolvimento de dispositivos manipuladores robóticos, hoje fazem parte da ciência da Robótica.
1.2 DEFINIÇÃO DE ROBÔ
Muitas empresas e instituições em países diversos construíram robôs e os principais fabricantes adotaram a sua própria definição do que vem a ser um robô. Três definições atuais de importantes associações na área de robótica são dadas a seguir:
• Definição de robô pela ISO 8373:1994" [6]:
"Um robô industrial é definido como um manipulador programável em três ou mais eixos, controlado automaticamente, reprogramável e multifuncional".
• Segundo o Instituto de Robôs da América RIA - Robot Institute of América [1], um robô pode ser definido como sendo:
manusear materiais, peças, ferramentas, ou dispositivos especiais capazes de desempenhar uma variedade de tarefas através de movimentos variáveis programados”.
• A Associação Japonesa de Robôs Industriais, "Japanese Industrial Robot Association (JIRA)" [7], define robô de forma mais ampla:
“Um dispositivo com graus de liberdade que pode ser controlado”. Além disso, divide os robôs nas seis classes seguintes:
Classe 1: Robôs manipulados são dispositivos com vários graus de liberdade operados manualmente;
Classe 2: Robôs de seqüência fixa são dispositivos manipuladores que desempenham sucessivas tarefas de acordo com um método predeterminado e imutável, muito difícil de ser modificado;
Classe 3: Robôs de seqüência variável, dispositivos que desempenham tarefas sucessivas que podem ser facilmente modificadas;
Classe 4: Robôs repetitivos são dispositivos que repetem uma seqüência de tarefas gravadas e são conduzidos ou controlados por operador humano;
Classe 5: Robôs de controle numérico são robôs onde o operador programa os movimentos;
Classe 6: Robôs inteligentes apresentam a capacidade de compreender seu ambiente e a habilidade de terminar tarefas apesar das mudanças nas circunstâncias.
O Instituto de Robótica da América (RIA) considera como robôs apenas as três últimas destas classes
1.3 PROPOSTA DO TRABALHO
Em 1994, a SOCIESC recebeu uma proposta de uma empresa para a aquisição de uma unidade de um sistema robotizado didático. A proposta da compra não despertou um interesse na época, além do elevado custo inicial de implantação, pois a aquisição do sistema pronto não permitiria o domínio de sua tecnologia com a mesma excelência que o desenvolvimento de um projeto próprio permite.
laboratoriais nas áreas de mecânica, metalurgia e outros, bem como os recursos humanos disponíveis viabilizariam a execução de um projeto próprio.
Pretende-se que o robô projetado apresente alta capacidade de carregamento, alta velocidade de movimentação e boa precisão de posicionamento do efetuador, baixo custo e que seja adequado às aplicações industriais. Para que o robô tenha versatilidade cinemática satisfatória, propõe-se um mecanismo articulado com seis graus de liberdade, uma classe de robôs com ampla utilização nas atividades industriais.
A execução do projeto traz vantagens como o domínio de tecnologias nas áreas de Engenharia Mecânica e Elétrica, Informática, Controle e principalmente a Robótica, oferecendo condições para formação de técnicos capacitados com conhecimento nas referidas áreas.
O Robothron é um robô articulado de seis graus de liberdade. É concebido como um robô para fins educacionais. Um protótipo do punho esférico RPR3 já foi construído e
para o acionamento da junta do cotovelo será projetado um mecanismo paralelo de quatro barras representada na Figura 1.
Este trabalho aborda o desenvolvimento do anteprojeto do braço para a sustentação e movimentação do punho já existente [8].
Figura 1 - Manipulador Robothron Fonte: o autor
3 Punho RPR (Roll-Pitch-Roll) realiza uma seqüência de movimentos de rotação, arfagem e rotação do
O projeto do Robothron iniciou-se com a construção do punho esférico do manipulador, conforme a Figura 2.
Figura 2 – Punho esférico do Robothron Fonte: Dokonal, C. V.
Depois de concluído o projeto e execução do antebraço, o robô atuará como uma ferramenta didática no ensino da robótica e demais áreas do conhecimento tecnológico.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO
O presente trabalho está organizado em sete capítulos mais os três apêndices e dois anexos. O texto inicia-se pela presente introdução, que apresenta um breve histórico de acontecimentos recentes que originaram a robótica, a definição de robô de acordo com três entidades representativas dos maiores fabricantes, os objetivos e a organização deste trabalho.
No capítulo 2, são descritos alguns dos componentes elementares e aspectos construtivos de manipuladores robóticos. São apresentados os conceitos de cadeia cinemática aberta e fechada de robôs manipuladores, bem como os sistemas de transmissão, atuadores e sensores responsáveis pela movimentação dos elos de manipuladores robóticos. É relatada a história do robô Robothron. O capítulo encerra-se com a exposição detalhada e desenhos das partes componentes do braço do manipulador.
O capítulo 3 aborda a cinemática para mecanismos complexos, apresentando conceitos de espaço dos atuadores e de espaço das juntas. Também é apresentada a notação de Sheth-Uicker, com a descrição dos elos e das juntas e seus parâmetros, a numeração dos elos e as transformações entre estes. Também é apresentada a cinemática para mecanismos de cadeia fechada. Também são aplicados os parâmetros de Sheth-Uicker à cinemática
direta do Robothron. Outra modelagem cinemática apresentada envolve a cinemática direta com seus parâmetros de Denavit-Hartenberg. Ao final do capítulo são apresentadas três formas representativas da orientação do efetuador final e simulações em Matlab.
No capítulo 4 é apresentado cálculo da cinemática inversa do manipulador Robothron, que consiste em determinar os ângulos de cada uma das articulações partindo-se de uma posição e orientação do efetuador final bem conhecidas. São aprepartindo-sentadas também as comprovações da cinemática inversa obtidas as simulações em computador.
O capítulo 5 aborda o cálculo da cinemática diferencial onde são obtidas as equações do jacobiano geométrico e as singularidades do Robothron.
O capítulo 6 aborda a estática do manipulador e nele são determinados as forças e os momentos utilizados para dimensionar os sistemas de transmissão e os atuadores.
O capítulo 7 inicia-se com uma abordagem da dinâmica do manipulador polar com dois graus de liberdade, é abordada a dinâmica do manipulador planar de dois elos e completa-se com a dinâmica do paralelogramo que compõem o antebraço Robothron.
O capítulo 8 apresenta as conclusões a respeito da presente estrutura do manipulador do Robothron.
A dissertação é complementada com três apêndices: o primeiro apresenta as listagens das rotinas para a determinação da cinemática direta usando a notação de Sheth-Uicker com os programas Maple e Matlab. O segundo apêndice contém matrizes utilizadas na obtenção da cinemática inversa e do Jacobiano e o terceiro apêndice apresenta desenhos com cotas do manipulador Robothron elaborados no Autocad. O anexo mostra os desenhos dos redutores harmônicos.
