Projeto e construção do protótipo de um robô articulado com três graus de liberdade acionado por motores elétricos

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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL – UNIJUÍ

DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi

JONATAN DE OLIVEIRA

PROJETO E CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DE UM ROBÔ ARTICULADO COM TRÊS GRAUS DE LIBERDADE ACIONADO POR MOTORES ELÉTRICOS

Panambi 2017

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Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica, da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.

Orientador: Cristiano Rafael Lopes, MEng.

Panambi 2017

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Trabalho de conclusão de curso aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.

______________________________________ Cristiano Rafael Lopes, MEng – Orientador

______________________________________ Prof. Dr. Luiz Antônio Rasia – DCEEng/Unijuí

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Dedico este trabalho primeiramente à Deus, pois até aqui Ele tem me ajudado. Aos meus pais e minha esposa que não mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa. E em memória das minhas queridas avós.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente à Deus por estar presente em todos os momentos da minha vida e por permitir a conquista de mais esta etapa.

Aos meus pais que não mediram esforços para que eu chegasse até aqui, sempre me apoiando e incentivando para alcançar este objetivo.

A minha querida esposa que sempre ao meu lado, com otimismo e atenção me apoiou nos bons e maus momentos, tornando-se essencial em minha vida.

Ao professor e orientador Cristiano, pela orientação e disponibilidade no desenvolvimento do trabalho. Obrigado pela atenção, recursos e pelo aprendizado proporcionado neste período acadêmico, tornando-se um amigo que a graduação proporcionou.

Aos professores Valdiero e Rasia pelo auxílio e suporte durante a realização deste trabalho e por todo o conhecimento repassado no período da graduação.

Aos amigos Mateus e Guinter, pela disponibilidade, auxílio, recursos e principalmente pela atenção creditada para a conclusão deste trabalho.

A Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul, pelos recursos e pelos conhecimentos técnicos fornecidos durante toda a graduação e necessários para a realização deste trabalho.

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RESUMO

Apresenta-se o projeto e a construção do protótipo de um robô articulado com três graus de liberdade, acionado por motores elétricos. A robótica é uma tendência de automatização dos processos de fabricação que visa na substituição da mão-de-obra em atividades repetitivas, manuais ou que oferecem risco aos operadores. Um robô industrial pode ser dividido em mecanismo, acionamento e sistema de controle. O mecanismo compreende a estrutura do robô, composta por elos e juntas, o acionamento é constituído por componentes responsáveis pela transformação de algum tipo de energia em movimento mecânico ao manipulador, como atuadores e sistemas de transmissão de potência, o sistema de controle é responsável pelo controle das tarefas e movimentos a serem executados, o qual é constituído por hardware e software. O principal fator que impede pequenas e médias empresas de adotarem sistemas robotizados em suas linhas de produção é seu alto custo inicial, que é proporcional a capacidade, dimensões e exatidão que o equipamento oferece. Durante o desenvolvimento do trabalho, serão apresentados princípios de solução relacionados ao projeto e construção do protótipo, envolvendo a seleção do tipo de mecanismo, atuadores, sistemas de transmissão, controladores e sensores de posição, com o objetivo de construir um manipulador robótico de baixo custo. Como resultados tem-se a montagem do protótipo de um robô articulado com três graus de liberdade, acionado por motores elétricos, com a finalidade da utilização de motores elétricos alternativos de baixo custo no projeto de robôs industriais, além do acionamento dos motores através de um uma programação básica em malha aberta.

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ABSTRACT

It is presented a design and construction of an articulated robot prototype with three degrees of freedom, driven by electrical motors. Robotics is a automation´s trend of manufacturing processes that aims a replacing manpower in repetitive, manual or risky activities to operators. An industrial robot can be divided into mechanism, drive and control system. The mechanism comprises the structure of the robot, that it is composed of links and joints, the drive is constituted by components responsible for the transformation of some type of energy in mechanical movement to the manipulator, such as actuators and power transmission systems. The control system is responsible to control of the tasks and movements to be executed, which is constituted by hardware and software. The main factor that prevents small and medium companies from adopting robotic systems in their production lines is their high initial cost, which is proportional to the capacity, dimensions and accuracy that the equipment offers. During the development of the work, it will be presented principles of solution related to the design and construction of the prototype, involving the selection of the type of mechanism, actuators, transmission systems, controllers and position sensors, with the objective of constructing a low cost robotic manipulator. The results of this paper are the assembly of the prototype of an articulated robot with three degrees of freedom, driven by electrical motors, with the purpose of using low-cost alternative electrical motors in the design of industrial robots, in addition to the drive of the motors through a basic open-loop programming.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Robô “Unimate” fabricado pela empresa Unimation Inc. ... 19

Figura 2 - Elos e juntas de um robô industrial com 6 graus de liberdade ... 20

Figura 3 - Vista isométrica da junta deslizante (a), rotativa (b), esférica (c) ... 21

Figura 4 - Motor elétrico de corrente contínua... 22

Figura 5 - Imagem ilustrativa de um acionamento hidráulico ... 23

Figura 6 - Imagem ilustrativa de um acionamento pneumático ... 24

Figura 7 - Fonte de potência elétrica para acionamento de atuadores elétricos ... 26

Figura 8 - Tipos de sistemas de transmissão mais utilizados em manipuladores robóticos ... 27

Figura 9 - Imagem ilustrativa de um sensor de proximidade ... 28

Figura 10 - Vista explodida dos componentes do Encoder Incremental ... 29

Figura 11 - Efetuador final (tocha de solda) de um robô industrial para processo de soldagem ... 30

Figura 12 - Garras mecânicas com dois dedos intercambiáveis ... 30

Figura 13 - Estrutura de um sistema de controle de um manipulador robótico ... 31

Figura 14 - Desenho esquemático do volume de trabalho de um robô ... 32

Figura 15 - Desenho representativo da posição repetitividade de um robô ... 33

Figura 16 - Desenho indicativo da representação da precisão de um robô ... 34

Figura 17 - Vista isométrica do espaço de trabalho de um Robô de coordenadas cartesianas ... 35

Figura 18 - Vista isométrica de um robô Gantry ... 35

Figura 19 - Vista frontal e superior de um Robô de Coordenadas Cilíndricas ... 36

Figura 20 - Vista isométrica de um Robô de Coordenadas Polares (esféricas) ... 37

Figura 21 - Vista isométrica de um Robô Articulado (antropomórfico) ... 37

Figura 22 - Vista frontal e superior de um Robô Scara ... 38

Figura 23 - Vista isométrica de um robô paralelo ... 39

Figura 24 - Mapa indicativo da quantidade de robôs operacionais contabilizados por países ... 40

Figura 25 - Gráfico da aplicação de robôs nas indústrias, com base em Robotics Industries Association (RIA) (2014) ... 41

Figura 26 - Desenho esquemático de um sistema de referência Denavit-Hartenberg ... 42

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Figura 27 - Desenho esquemático da cinemática inversa de um robô articulado ... 45

Figura 28 - Relação entre as velocidades angulares das juntas ϴi, a velocidade v e a rotação w da garra ... 46

Figura 29 - Principais componentes de um robô industrial ... 48

Figura 30 - Estrutura parafusada (a), soldada (b) e fundida ou injetada (c) ... 50

Figura 31 - Vista isométrica da estrutura do robô articulado ... 51

Figura 32 - Vista isométrica explodida dos principais componentes de Elo 1 ... 52

Figura 33 - Vista frontal (a) e isométrica (b) do Elo 0 ... 52

Figura 34 - Vista isométrica explodida dos principais componentes do Elo 1 ... 53

Figura 35 - Vista isométrica do Elo 1 ... 53

Figura 36 - Vista isométrica explodida dos principais componentes do Elo 2 ... 54

Figura 37 - Vista isométrica do Elo 1 ... 54

Figura 38 - Vista superior e lateral do espaço de atuação do robô articulado ... 55

Figura 39 - Vista isométrica com identificação dos motores do robô ... 56

Figura 40 - Detalhes do acoplamento do motor ao eixo de transmissão ... 57

Figura 41 - Fonte de potência de corrente contínua com saída de 12V e 30A ... 58

Figura 42 - Vista isométrica do detalhe do acoplamento do motor direto na junta .... 59

Figura 43 - Vista lateral (a) e isométrica (b) da posição do encoder no robô ... 60

Figura 44 - Placa eletrônica tipo Ponte H para acionamento dos motores elétricos . 61 Figura 45 – Interface do software Arduino 1.8.2 ... 63

Figura 46 - Indicação dos Elos, Juntas e Eixos de Rotação do robô articulado ... 64

Figura 47 - Desenho esquemático dos parâmetros de Denavit-Hartenberg ... 65

Figura 48 - Posição do efetuador final resultante da matriz de transformação homogênea ... 68

Figura 49 - Vista isométrica explodida do robô com balões de referência dos componentes ... 69

Figura 50 - Máquina de Corte por Laser ... 70

Figura 51 - Prensa Viradeira (dobradeira) para processo de dobra ... 71

Figura 52 - Furadeira de Bancada ... 71

Figura 53 - Torno Mecânico ... 72

Figura 54 - Aparelho de Solda ... 72

Figura 55 - Prensa Hidráulica Manual ... 73

Figura 56 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) do Elo 0 (Base Fixa) ... 74

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Figura 58 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das chapas ... 75

Figura 59 - Vista detalhada da Junta Rotativa 1 no projeto (a) e protótipo (b) ... 75

Figura 60 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) da Bucha usinada ... 76

Figura 61 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) Eixo usinado do Elo 0. ... 76

Figura 62 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) do Elo 1 ... 78

Figura 63 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das Chapas do Elo 1 ... 78

Figura 64 - Vista detalhada da Junta Rotativa 2 no projeto (a) e protótipo (b). ... 79

Figura 65 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) da Bucha montada na Chapa base ... 79

Figura 66 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das Chapas ... 79

Figura 67 - Vista isométrica do projeto (a) e protótipo (b) do Elo 2 ... 81

Figura 68 - Vista superior do projeto (a) e protótipo (b) das Chapas do Elo 2 ... 81

Figura 69 - Vista detalhada da Junta Rotativa 3 no projeto (a) e protótipo (b) ... 82

Figura 70 - Motor elétrico BOCH ... 83

Figura 71 - Motores elétricos montados nas Juntas do robô ... 83

Figura 72 - Motor com acoplamento direto na Junta a ser movida ... 84

Figura 73 - Fonte de potência elétrica de 12V e 30A ... 84

Figura 74 – Microcontrolador ATmega328P – ARDUINO ... 85

Figura 75 - Placa eletrônica do tipo Ponte H ... 85

Figura 76 - Vista (a) isométrica e (b) frontal do local da montagem do encoder ... 86

Figura 77 - Montagem final do mecanismo, acionamento e controlador do robô articulado ... 87

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Vantagens e desvantagens do acionamento elétrico, com base em

Rosário (2005) ... 22

Tabela 2 - Vantagens e desvantagens do acionamento hidráulico, com base em Rosário (2005) ... 23

Tabela 3 - Vantagens e desvantagens do acionamento pneumático, com base em Rosário (2005) ... 24

Tabela 4 - Quadro comparativo das formas de acionamento elétrico, hidráulico e pneumático ... 25

Tabela 5 - Vantagens e desvantagens dos robôs cartesianos ... 35

Tabela 6 - Vantagens e desvantagens dos robôs articulados ... 38

Tabela 7 - Vantagens e desvantagens dos robôs Scara ... 39

Tabela 8 - Vantagens e desvantagens dos robôs paralelos ... 40

Tabela 9 - Lista de materiais disponíveis para utilização na estrutura do robô ... 50

Tabela 10 - Especificações do rolamento NSK ... 55

Tabela 11 - Especificações do motor elétrico BOCH ... 57

Tabela 12 - Especificações do encoder incremental Hohner ... 60

Tabela 13 - Especificações do microcontrolador ATmega328P ARDUINO ... 62

Tabela 14 - Parâmetros Denavit-Hartenberg ... 65

Tabela 15 - Lista de componentes do Elo 0 e Junta Rotativa 1 ... 73

Tabela 16 - Lista de componentes do Elo1 e Junta Rotativa 2 ... 77

Tabela 17 - Lista de componentes do Elo 2 e Junta Rotativa 3 ... 80

Tabela 18 - Lista de componentes dos atuadores ... 82

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

3D - Três Dimensões CC - Corrente Contínua

CLP - Controlador Lógico Programável D-H - Denavit-Hartenberg

IFR - Federação Internacional de Robótica

ISO - International Organization for Standardization J1 - Conector da placa do Arduino

M6 - Rosca métrica M6 M8 - Rosca métrica M8

NIMASS - Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas P - Junta Prismática

PWM - Pulse Width Modulation Q1, Q2, Q3, Q4 - Transistores R1, R2, R3, R4 - Resistores R - Junta Rotativa

RPP - Robô de Coordenadas Cilíndricas RRP - Robô de Coordenadas Esféricas RRP - Robô Scara

RRR - Robô Articulado (Antropomórfico) RS - Rio Grande do Sul

RUR - Robôs Universais de Russum SAE - Society of Automotive Engineers

SCARA - Seletive Compliant Articulated Robot for Assembly

UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul USB - Universal Serial Bus

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LISTA DE SÍMBOLOS

Distância entre eixos zi e zi-1 [mm]

Ângulo formado entre eixos zi e zi-1 [rad]

Distância medida entre eixos xi e xi-1 [mm]

Ângulo formado entre eixos xi e xi-1 [rad]

⃗⃗ Vetor da velocidade angular Vetor da velocidade linear

Vetor da relação da velocidade linear e angular

Velocidade angular [rad/s]

xi, yi, zi Eixos coordenadas de referência

Matriz de transformação homogênea que relaciona o efetuador final à base

Matriz Jacobiana

Matriz Jacobiana das juntas prismáticas Matriz Jacobiana das juntas rotativas

̇ Velocidade de junta [rad/s]

Ø Diâmetro [mm]

N Força em Newton rpm Rotações por minuto

V Tensão elétrica, potencial elétrico em Volt W Potência, fluxo energético em Watt

m Unidade de medida de comprimento em metro mm Unidade de medida de comprimento em milímetro A Intensidade de corrente elétrica em Ampére mA Intensidade de corrente elétrica em miliampére hz Frequência em hertz

Mhz Frequência em megahertz Khz Frequência em quilohertz

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 GENERALIDADES ... 15 1.2 METODOLOGIA ... 16 1.3 OBJETIVO GERAL ... 16 1.3.1 Objetivos específicos ... 16 1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 17 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18 2.1 HISTÓRICO DA ROBÓTICA ... 18 2.2 DEFINIÇÃO DE ROBÔ ... 19

2.3 PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM ROBÔ ... 20

2.3.1 Manipulador mecânico ... 20

2.3.2 Atuadores ... 21

2.3.2.1 Comparativo entre os tipos de atuadores ... 24

2.3.2.2 Acionamento direto e indireto ... 25

2.3.3 Unidade de potência ... 26 2.3.4 Sistemas de transmissão ... 26 2.3.5 Sensores ... 27 2.3.6 Efetuador final ... 29 2.3.7 Sistema de controle ... 31 2.4 VOLUME DE TRABALHO ... 32

2.5 RESOLUÇÃO, REPETITIVIDADE E PRECISÃO ... 32

2.6 TIPOLOGIA SEGUNDO A CADEIA CINEMÁTICA ... 34

2.6.1 Robô de coordenadas cartesianas (Gantry) ... 34

2.6.2 Robô de coordenadas cilíndricas ... 36

2.6.3 Robô de coordenadas polares (esféricas) ... 36

2.6.4 Robô articulado (antropomórfico) ... 37

2.6.5 Robô SCARA ... 38

2.6.6 Robô paralelo ... 39

2.7 APLICAÇÃO DE ROBÔS NA INDÚSTRIA ... 40

2.8 MODELAGEM CINEMÁTICA DE UM ROBÔ ... 42

2.8.1 Cinemática direta ... 42

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2.8.3 Cinemática diferencial (matriz jacobiana) ... 45

3 PROJETO DO ROBÔ ARTICULADO ... 48

3.1 MECANISMO ... 49

3.1.1 Projeto mecânico do mecanismo ... 49

3.2 ACIONAMENTO ... 56

3.2.1 Atuadores ... 56

3.2.2 Unidades de potência ... 58

3.2.3 Sistemas de transmissão ... 58

3.3 CONTROLADOR E SENSORES DE POSIÇÃO ... 59

3.4 MODELAGEM CINEMÁTICA ... 63

3.4.1 Sistemas de referências e parâmetros de Denavit-Hartenberg ... 64

3.4.2 Cinemática direta ... 66

3.4.3 Cinemática diferencial ... 68

4 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DO ROBÔ ... 69

4.1 PRINCIPAIS COMPONENTES DO ROBÔ ... 69

4.2 MECANISMO ... 70

4.2.1 Recursos utilizados para a fabricação... 70

4.2.2 Construção do Elo 0 e da Junta Rotativa 1 ... 73

4.3 ACIONAMENTO ... 82

4.3.1 Atuadores ... 82

4.3.2 Sistema de Transmissão ... 84

4.3.3 Unidade de Potência... 84

4.4 CONTROLADOR E SENSORES DE POSIÇÃO ... 85

4.5 MONTAGEM FINAL DO ROBÔ ... 86

4.6 CUSTOS DOS COMPONENTES ... 87

CONCLUSÃO ... 89

REFERÊNCIAS ... 90

APÊNDICE A – PROGRAMAÇÃO PARA ACIONAMENTO DA JUNTA 1 ... 93

ANEXO A – CATÁLOGO MOTOR BOCH ... 94

ANEXO B – CATÁLOGO ENCODER HOHNER SERIE 75... 95

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1 INTRODUÇÃO

1.1 GENERALIDADES

A indústria vem a anos buscando aperfeiçoar seus processos de fabricação, produzir mais em menor tempo, com menos custos, visando sempre aumentar sua lucratividade e qualidade. A área que tem papel fundamental nestas melhorias é a automação através da robótica. Este ramo de atuação ou de estudo, já não pertence somente à indústria, onde tem grande benefício em tarefas insalubres e repetitivas, mas também tem uma ampla aplicação na agricultura, com robôs capazes de executar tarefas como, por exemplo, a pulverização de lavouras, mapeamento e coleta de amostras de colheita, entre outras.

Inovações tecnológicas demandam do engenheiro uma formação profissional atualizada por meio do contato crescente com conceitos e técnicas avançadas de automação integrada, tais como processos de engenharia assistida por computador, automação das linhas de fabricação, robótica e engenharia de novos materiais. A robótica compreende tudo o que há de tecnologia, justamente por ser multidisciplinar (ROSÁRIO, 2005).

Há robôs específicos para cada tipo de aplicação na indústria, como por exemplo, soldagem por resistência por pontos, manipulação de materiais, soldagem por arco, pintura, corte por jato de água, corte por gás, acabamentos e montagem, todos projetados para substituir o trabalho humano (ROMANO, 2002).

O principal fator que impede pequenas e médias empresas de optarem por sistemas robotizados em suas linhas de produção é seu alto custo inicial, sendo este custo proporcional ao grau de exatidão, capacidade, dimensões e confiabilidade que o equipamento oferece.

Um robô industrial pode ser dividido em três principais componentes, mecanismo, acionamento e sistema de controle. O mecanismo é a estrutura do robô composta por elos, juntas e o efetuador final, o acionamento pode ser elétrico, hidráulico ou pneumático e o sistema de controle é composto por hardware e software (VALDIERO, 2005).

Através deste trabalho de conclusão de curso, pretende-se desenvolver o projeto e construção do protótipo de um robô articulado com três graus de liberdade e acionado por motores elétricos, utilizando componentes de baixo custo.

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1.2 METODOLOGIA

Para o projeto do robô descrito foram utilizadas ferramentas estudadas no decorrer do curso de Engenharia Mecânica, tais como: metodologia de projeto, conceitos de robótica industrial, desenho mecânico em softwares de desenho assistido por computador, processos de fabricação, elementos de máquinas e materiais de construção mecânica.

A metodologia escolhida neste trabalho consiste na revisão bibliográfica sobre os conceitos de robótica, elaboração do projeto e construção do protótipo do robô articulado. O projeto foi realizado segundo a metodologia proposta por Valdiero (1998, 2005), o detalhamento do projeto foi realizado com o auxílio do software de projeto assistido por computador Solid Works 2015. A construção do protótipo foi realizada com os recursos disponíveis no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS) da UNIJUÍ e em empresas localizadas no município de Panambi.

1.3 OBJETIVO GERAL

O objetivo principal deste trabalho é desenvolver o projeto e construir o protótipo de um robô articulado com três graus de liberdade, de baixo custo, acionado por motores elétricos de corrente contínua.

1.3.1 Objetivos específicos

 Realizar a revisão bibliográfica envolvendo os conceitos de robótica que serão necessários para o desenvolvimento do projeto e construção do protótipo;

 Realizar o projeto seguindo a metodologia de projetos descrita por Valdiero (1998, 2005), através de software em Três Dimensões (3D);

 Realizar os cálculos da modelagem cinemática;

 Realizar a escolha dos componentes e matéria-prima;

 Realizar a escolha dos equipamentos de fabricação;

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1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

Este trabalho está dividido em quatro capítulos da seguinte maneira:

 No capítulo 2 apresenta-se a revisão bibliográfica com os principais conceitos referente à robótica industrial;

 No capítulo 3 apresenta-se o projeto detalhado do robô e o desenvolvimento da modelagem cinemática;

 No capítulo 4 apresenta-se o desenvolvimento da construção do protótipo do robô;

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A revisão bibliográfica também chamada de “embasamento teórico”, “referencial teórico” ou ainda, “fundamentação teórica”, é a base que sustenta qualquer pesquisa científica. Neste sentido, serão abordados os principais conceitos que se referem ao tema do trabalho.

2.1 HISTÓRICO DA ROBÓTICA

A robótica preocupa-se com o estudo das máquinas que podem substituir seres humanos na execução de uma tarefa. É a disciplina que envolve o projeto, controle e aplicação dos robôs especificamente na área industrial (SICILIANO et al, 2009).

A palavra robô tem origem na palavra tcheca Robot-nik que significa servo, a qual foi utilizada inicialmente pelo dramaturgo Karel Capek em 1923. Em uma peça de teatro chamada Robôs Universais de Russum (RUR), o dramaturgo também citou a palavra “robot” para retratar a criação de robôs (ROSÁRIO, 2005).

O ano de 1940 foi um marco na história, quando o grande escritor Isaac Asimov tornou popular o conceito de robô com uma máquina que se parecia com um humano, não possuidora de sentimentos, mas cujo comportamento seria definido a partir da programação feita por pessoas, de forma a cumprir determinadas regras e éticas de conduta. Isaac Asimov (1940 apud ROMANO, 2002, p. 14) estabelece três leis básicas para a robótica:

1ª) “Um robô não pode fazer mal a um ser humano nem consentir, permanecendo inoperante, que um ser humano se exponha a situação de perigo”;

2ª) “Um robô deve obedecer sempre às ordens de seres humanos, exceto em circunstâncias em que estas ordens entrem em conflito com a 1ª lei”;

3ª) “Um robô deve proteger a sua própria existência, exceto em circunstâncias em que entrem em conflito com a 1ª e 2ª leis”;

Lei 0) “Um robô não deve fazer mal à humanidade, ou, permanecer passivo numa situação que prejudique a humanidade”.

Em 1959, George Devol e Joe Engelberger desenvolveram o primeiro robô industrial moderno, feito este, que contribuiu para Engelberger criar a empresa

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Unimation Inc, que passou a fabricar e comercializar robôs industriais, sendo este o motivo pelo qual é chamado de “pai da robótica” (ROMANO, 2002).

Em 1961, a Unimation Inc. instalou o primeiro robô industrial, chamado Unimate, ilustrado na Figura 1.

Figura 1 - Robô “Unimate” fabricado pela empresa Unimation Inc.

Fonte: Pires (2002, p. 13).

Atualmente, devido aos inúmeros recursos que os sistemas de microcomputadores oferecem, a robótica atravessa uma época de contínuo crescimento que permitirá em um curto espaço de tempo, o desenvolvimento de robôs inteligentes capazes de realizar as mais variadas atividades em sistemas de produção, agregando valor aos produtos (ROSÁRIO, 2005).

2.2 DEFINIÇÃO DE ROBÔ

A definição de robô é ampla e variada, alguns autores apresentam suas definições, como por exemplo, Rivin (1988 apud ROMANO, 2002, p. 3) que define robô como “[...] um manipulador multifuncional reprogramável projetado para movimentar materiais, partes, ferramentas ou peças especiais, através de diversos movimentos programados, para o desempenho de uma variedade de tarefas”.

Uma definição mais completa é apresentada pela norma International Organization for Standardization (ISO) 10218: como sendo: uma máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada automaticamente,

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reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para utilização em aplicações de automação industrial.

2.3 PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM ROBÔ

Os robôs industriais são constituídos de componentes e sistemas que, integrados entre si, proporcionam movimentos previamente programados. Entre eles, podem-se destacar os manipuladores mecânicos (juntas e elos), unidade de controle, unidade de potência, atuadores, sistema de transmissão, sensores e efetuador final.

2.3.1 Manipulador mecânico

Basicamente composto por elos (elementos estruturais rígidos), conectados entre si através de juntas (articulações) responsáveis pela liberdade dos movimentos, sendo o primeiro elo denominado como base e o último onde será vinculado o efetuador final (ROMANO, 2002).

A Figura2 ilustra um manipulador mecânico com 6 graus de liberdade e seus principais componentes.

Figura 2 - Elos e juntas de um robô industrial com 6 graus de liberdade

Fonte: Romano (2002, p. 4).

a) Base

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b) Elos

São os elementos estruturais rígidos sendo inevitável que apresentem algum grau de flexibilidade quando submetidos a algum tipo de esforço, sendo necessário assim, projetar a estrutura de tal maneira que apresente elevada rigidez aos esforços de flexão e torção. As principais matérias utilizadas nestas estruturas são o alumínio e o aço (ROMANO, 2002).

c) Juntas

São os dispositivos mecânicos (articulações) responsáveis pela liberdade dos movimentos, permitindo o braço manipulador de um robô se mover para várias posições, executando movimentos lineares ou rotacionais. As juntas também determinam o número de graus de liberdade em um robô. São classificadas em três tipos: prismáticas (deslizantes), rotativas e esféricas, conforme pode ser visualizado na Figura 3. As juntas prismáticas permitem o movimento linear entre dois elos, enquanto as juntas rotativas e esféricas permitem movimentos de rotação entre dois elos (ROSÁRIO, 2005).

Figura 3 - Vista isométrica da junta deslizante (a), rotativa (b), esférica (c)

Fonte: Rosário (2005, p. 156).

2.3.2 Atuadores

Atuadores são responsáveis pelo acionamento dos eixos de um robô, os quais convertem algum tipo de energia (elétrica, pneumática ou hidráulica) em movimento (potência) mecânica (ROSÁRIO, 2005). Romano (2002, p. 5) descreve

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que “[...] através dos sistemas de transmissão, a potência mecânica gerada pelos atuadores é enviada aos elos para que se movimentem”.

Atuadores tem ação física direta sobre processos automatizados e são geralmente controlados por computador ou outros tipos de analisadores (ASFAHL, 1992).

Os atuadores elétricos, tipicamente motores de corrente contínua ou alternada, são os mais utilizados em robôs projetados atualmente. O motor de passo é muito utilizado pelo fato de ser barato e de fácil ligação a circuitos eletrônicos de controle (VALDIERO, 1998).

Asfahl (1992, p. 47) descreve que “[...] Os robôs com acionamento elétrico são utilizados principalmente para tarefas que exigem maior precisão”. Na Tabela 1 pode ser visualizado as principais vantagens e desvantagens do acionamento elétrico, e na Figura 4 um exemplo de acionamento elétrico.

Tabela 1 - Vantagens e desvantagens do acionamento elétrico, com base em Rosário (2005)

Vantagens Desvantagens

Eficiência calculada, com controle preciso

Impossibilidade de manter um momento constante nas mudanças de velocidade de rotação

Estrutura simples e de fácil manutenção Possibilidade de ocorrência de danos no caso de cargas pesadas

Fonte de energia acessível Suficiente para parar o motor. Custo relativamente pequeno

Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 4 - Motor elétrico de corrente contínua

(24)

O acionamento hidráulico caracteriza-se por utilizar uma unidade hidráulica composta de um motor de movimento rotativo e de um cilindro para realização de movimento linear (ROSÁRIO, 2005).

Outra característica importante de acionamentos hidráulicos é a alta relação torque/dimensão e a flexibilidade de instalação de seus atuadores. Em contrapartida existem dificuldades na operação de robôs hidráulicos, principalmente para obtenção de respostas precisas (VALDIERO, 2012).

Na Tabela 2 pode ser visualizado as principais vantagens e desvantagens do acionamento hidráulico, e na Figura 5 um exemplo de acionamento hidráulico.

Tabela 2 - Vantagens e desvantagens do acionamento hidráulico, com base em Rosário (2005)

Momento alto e constante sob uma

grande faixa de variação de velocidade Fonte de energia cara Precisão da operação menor que a do

acionamento elétrico e maior que a do pneumático

Manutenção cara e intensa Possibilidade de manter um alto

momento por um longo período de tempo, quando parado

Válvulas de precisão caras

Figura 5 - Imagem ilustrativa de um acionamento hidráulico

Fonte: Parker (2005, p. 6).

O acionamento pneumático é similar ao hidráulico. Rosário (2005, p. 168) descreve que “[...] o acionamento pneumático é composto de: motores pneumáticos de movimento rotativo e cilindros pneumáticos de movimento deslizante”.

(25)

Os atuadores pneumáticos são comandados por meio de válvulas eletropneumáticas, possibilitando, portanto, o interfaceamento com sinais elétricos vindos de botões ou mesmo de Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s) (DE NEGRI, 2001). Na Tabela 3 podem ser visualizadas as principais vantagens e desvantagens do acionamento pneumático e na Figura 6 um exemplo de acionamento pneumático.

Tabela 3 - Vantagens e desvantagens do acionamento pneumático, com base em Rosário (2005)

Operação em velocidades

extremamente altas Ausência de alta precisão

Custo relativamente pequeno

Possibilidade de ocorrência de vibrações quando o motor ou cilindro pneumático é parado.

Fácil manutenção

Figura 6 - Imagem ilustrativa de um acionamento pneumático

Fonte: Festo (2016, p. 16).

2.3.2.1 Comparativo entre os tipos de atuadores

Cada tipo de atuador possui suas características, como por exemplo, precisão, capacidade de carga, velocidade e custo. A Tabela 4 apresenta um breve comparativo entre os três tipos de acionamentos anteriormente descritos:

(26)

Tabela 4 - Quadro comparativo das formas de acionamento elétrico, hidráulico e pneumático

Acionamento Precisão de posicionamento

Capacidade de

transferência de carga Velocidade Custo

Elétrico Alta pequenas e médias (20 kg) Alta Alto

Hidráulico média-alta pesadas (1.000 kg ou mais) média-alta médio-alto

Pneumático Baixa pequenas e médias (10 kg) Alta Baixo

2.3.2.2 Acionamento direto e indireto

Atuadores elétricos tendem a ser maiores e mais pesados que atuadores hidráulicos e pneumáticos. Por este motivo, Groover (1988 apud CARRARA, 2015, p. 38) descreve que “[...] nem sempre é possível posicionar tais atuadores próximos às respectivas juntas, em virtude de restrições no espaço disponível ou de problemas com deflexões devido ao peso”. Dessa forma, os atuadores podem ser acoplados de forma direta ou indireta.

a) Acionamento direto

Neste tipo de acionamento, o motor é montado diretamente na junta que ele vai mover. Em determinados casos, proporciona melhor precisão e rendimento de potência em relação ao acionamento indireto (CARRARA, 2015).

Segundo Turner (2001 apud MENUZZI et al, 2010) “[...] não é o ideal para motores elétricos, pois a ausência de uma relação de redução do movimento leva a necessidade de motores elétricos especiais com menor rotação e maior torque”.

b) Acionamento indireto

Neste tipo de acionamento, o atuador fica distante da junta a ser movida por ele. Isto ocorre geralmente quando os atuadores são pesados, e para reduzir o peso nas juntas e aumentar a capacidade do braço, soluções como o uso de algum tipo de sistema de transmissão de potência, como polias, correntes e rodas dentadas, engrenagens, são utilizadas para evitar problemas como deflexão devido ao peso (CARRARA, 2015).

(27)

Turner (2001 apud MENUZZI et al, 2010) descreve que “[...] a utilização de engrenagens entre os motores e as juntas, possui como vantagens a menor carga no motor, maiores rotações no motor e a facilidade de seu posicionamento no braço do robô”.

2.3.3 Unidade de potência

Unidade de potência é responsável por fornecer a potência necessária para a movimentação dos atuadores. Cada tipo de acionamento tem uma unidade de potência associada, deste modo, para o acionamento hidráulico, pneumático e elétrico as unidades de potência associadas são a bomba hidráulica, o compressor de ar e a fonte elétrica, respectivamente. Para os motores elétricos a unidade de potência pode ser uma fonte de corrente alternada ou fonte de corrente contínua (ROMANO, 2002), conforme a Figura 7.

Figura 7 - Fonte de potência elétrica para acionamento de atuadores elétricos

Fonte: Alecrim (2010).

2.3.4 Sistemas de transmissão

Sistemas de transmissão tem a finalidade de realizar a transmissão de potência mecânica (torque/força e velocidade angular/linear) originada de um atuador (ROMANO, 2002).

As transmissões mecânicas podem ser de vários tipos e modelos, se diferenciando de acordo com o princípio de funcionamento, isto é, a forma de acoplamento de suas entradas e saídas (ROSÁRIO, 2005).

(28)

Os tipos de sistema de transmissão mais usados, conforme a Figura 8 são: (a) acoplamento direto, (b) acoplamento com alinhamento oblíquo, (c, d) redutores, (e) polia e correia, (f) conversão de movimento rotativo para linear através de fuso, (g) correia dentada e (h) cremalheira (GARCIA, 2013).

Figura 8 - Tipos de sistemas de transmissão mais utilizados em manipuladores robóticos

Fonte: Garcia (2013, p. 27).

2.3.5 Sensores

Os sensores são dispositivos importantes para a constituição dos robôs mecânicos pois fornecem parâmetros sobre o comportamento do manipulador, em termos de posição e velocidade dos elos em função do tempo. De modo geral são acoplados nas juntas do robô mecânico (ROMANO, 2002).

Sensores transmitem informação a partir da máquina ou equipamento, do processo de fabricação, da peça a ser fabricada e da pessoa (operador humano), se houver (ASFAHL 1992). Os principais tipos de sensores utilizados nas indústrias são:

(29)

a) Sensores de proximidade

Alguns sensores não requerem contato físico ou radiação de luz para "sentir" ou detectar um objeto. Tais sensores são chamados sensores de proximidade, conforme a Figura 9, porque podem detectar a presença de um objeto próximo sem tocá-lo (ASFAHL, 1992).

Figura 9 - Imagem ilustrativa de um sensor de proximidade

b) Sensores de posição

A medição da posição de um robô é feita normalmente no eixo dos atuadores que movimentam o robô. Um dos métodos de medição de posição angular mais comum em robótica é o uso de encoders incrementais (ROMANO, 2002).

Um braço robótico pode ter o movimento limitado em qualquer um dos seus eixos de movimentação através dos sensores de posição (ASFAHL, 1992).

Segundo Contreras, Flores e Silva (2008 apud FIORI, 2015, p. 36) os encoders incrementais são amplamente utilizados nas mais diversas aplicações robóticas e no controle realimentado de sistemas. Eles são transdutores rotativos eletromecânicos onde um emissor envia feixes de luz através de duas fendas defasadas e uma terceira (conta giros) que são recebidas e interpretadas por uma placa eletrônica. Esta placa transforma o conjunto de feixes de luz em uma série de pulsos que são interpretadas como o movimento angular (em deslocamento e sentido) por uma placa de aquisição e controle.

A Figura 10 ilustra um exemplo de encoder incremental com o detalhamento dos seus principais componentes.

(30)

Figura 10 - Vista explodida dos componentes do Encoder Incremental

Fonte: Fiori (2015, p. 36).

2.3.6 Efetuador final

Todas as informações especificadas pelos fabricantes nos catálogos de seus robôs estão relacionadas a várias características de desempenho tais como: acurácia, repetitividade, carga máxima, graus de liberdade, entre outros. Estas informações estão diretamente relacionadas a extremidade terminal do manipulador mecânico, ou seja, o último elo. Assim, o efetuador final deve ser capaz de promover sua interação com o objeto a ser trabalhado (ROMANO, 2002).

Existem dois tipos de efetuadores finais, as ferramentas especiais e as garras mecânicas.

As ferramentas especiais são em geral, rigidamente fixas às extremidades terminais dos robôs, não possuindo movimentação relativa a estes. A função principal do robô nestes casos é posicionar e orientar a ferramenta em relação à peça que será trabalhada. Existem diversos tipos de ferramentas que são utilizadas na indústria, entre elas, as pistolas para pintura, tochas de soldagem, o porta-eletrodo, o porta-rebolo, o maçarico, pistolas para corte por jato de água, entre outras (ROMANO, 2002).

A Figura 11 ilustra na parte salientada um exemplo de efetuador final utilizado em robôs de solda.

(31)

Figura 11 - Efetuador final (tocha de solda) de um robô industrial para processo de soldagem

Fonte: Yaskawa (2016, p. 5)

As garras mecânicas estão associadas à preensão ou agarramento de objetos e tem por função realizar operações de movimentação ou manipulação. Salisbury e Craig (1982 apud ROMANO, 2002, p. 12) descreve que “[...] em termos cinemáticos, uma garra na configuração de mão humana é a que possui maior versatilidade para realizar a manipulação de objetos dos mais variados tipos”.

A Figura 12 ilustra três garras mecânicas com dois dedos intercambiáveis.

Figura 12 - Garras mecânicas com dois dedos intercambiáveis

(32)

2.3.7 Sistema de controle

A unidade de controle é um sistema constituído de um processador que recebe os sinais dos sensores e os transforma em dados executando o algoritmo de controle e envia os sinais para acionamento dos atuadores (LOPES, 2015).

Ceroni e NOF (1999 apud VALDIERO 2005, p. 26) descreve sistema de controle como um “[...] dispositivo de hardware e software onde é implementado o esquema de controle projetado, incluindo os sensores, os elementos do modo de operação, o conjunto de circuitos e elementos de saída para atuação”.

O software pode ser desenvolvido em um computador pessoal ou em um microcontrolador. O sistema de hardware envolvem motores de passos, cabos, dispositivo de entrada, sensores, amplificadores de potência e placa de controle (CARRARA, 2015).

O controle de sistemas robóticos é realizado basicamente mediante a manipulação de informações, que ocorrem por meios elétricos, frequentemente sendo necessária a utilização de sensores que indiquem a posição do mecanismo no sistema de controle, com o objetivo de reduzir erros de posicionamento do sistema (ROSÁRIO, 2005).

A Figura 13 ilustra a estrutura típica de um sistema robótico.

Figura 13 - Estrutura de um sistema de controle de um manipulador robótico

(33)

2.4 VOLUME DE TRABALHO

O volume de trabalho de um manipulador robótico é a região dentro da qual o mesmo pode posicionar o efetuador final. Esse espaço pode ser dividido em duas regiões: a primeira região onde todos os graus de liberdade são atuantes e a segunda região onde nem todos os graus de liberdade estão atuando (VALDIERO, 1998).

A Figura 14 ilustra um desenho esquemático do volume de trabalho de um robô, sendo “R” a região onde todos os graus de liberdade atuam e “r” onde nem todos os graus de liberdade atuam.

Figura 14 - Desenho esquemático do volume de trabalho de um robô

Fonte: Valdiero (1998, p. 17).

2.5 RESOLUÇÃO, REPETITIVIDADE E PRECISÃO

A resolução de um robô representa o deslocamento mínimo que o manipulador pode realizar. A resolução do sistema pode ser baseada na resolução dos sensores, codificadores, conversores analógicos digitais ou passo de motores, lembrando a influência do atrito, das folgas, entre outros (VALDIERO, 1998).

A repetitividade de um robô indica a capacidade que o manipulador tem de realizar um deslocamento e de retornar repetidamente a uma mesma posição. Em outras palavras, traduz a diferença de posição com que o robô volta a recolocar-se num ponto visitado anteriormente (VALDIERO, 1998).

(34)

A Figura 15 ilustra o desenho representativo da repetitividade de um robô, sendo “d” a repetitividade e o erro da posição (x,y,z) representado pela equação √ .

Figura 15 - Desenho representativo da posição repetitividade de um robô

A precisão de um robô pode ser definida como sendo a diferença entre a posição programada e a posição real do manipulador depois da execução do movimento programado (VALDIERO, 1998).

Vários fatores influenciam a precisão de um robô, do ponto de vista mecânico depende da rigidez da estrutura, dos jogos e atritos nas juntas e da qualidade da fabricação dos componentes em geral. Do ponto de vista do controle, essa precisão depende dos erros do cálculo das coordenadas, da precisão da calibração, das diferenças entre o modo do ensaio e a execução do movimento e da precisão dos sensores deposição (VALDIERO, 1998). A Figura 16 ilustra a representação de precisão de um robô.

(35)

Figura 16 - Desenho indicativo da representação da precisão de um robô

2.6 TIPOLOGIA SEGUNDO A CADEIA CINEMÁTICA

Existem diferentes configurações físicas ou anatômicas nos manipuladores, é usual classificar os robôs de acordo com o tipo de junta, mais precisamente, pelas três juntas que estão mais próximas da base do robô (ROSÁRIO, 2005).

As principais configurações básicas relativas a estrutura mecânica de um robô, de acordo com a Federação Internacional de Robótica (IFR) são os robôs de coordenadas cartesianas, cilíndricas e esféricas, robô Seletive Compliant Articulated Robot for Assembly (Scara), robô articulado (antropomórfico) e robô paralelo (ROMANO, 2002).

2.6.1 Robô de coordenadas cartesianas (Gantry)

Estes tipos de robôs possuem três juntas prismáticas, que podem se movimentar em linha reta, em deslocamentos verticais e horizontais. Sua localização no espaço é definida pelas coordenadas cartesianas (x, y, z) e estes robôs caracterizam-se por ter três juntas prismáticas (P) codificados como (PPP), pelo pequeno espaço de trabalho, pelo elevado grau de rigidez mecânica e pela grande exatidão na localização do efetuador final (ROSÁRIO, 2005).

Os robôs Gantry possuem a cinemática mais simples entre os tipos comuns de robôs industriais, pelo fato de utilizar três juntas prismáticas, salvo alguns casos em que é utilizado uma junta rotativa para o efetuador final. A Figura 17 ilustra o

(36)

espaço de trabalho de um robô cartesiano e a Figura 18 ilustra o exemplo de um robô Gantry.

Figura 17 - Vista isométrica do espaço de trabalho de um Robô de coordenadas cartesianas

Fonte: Siciliano et al, (2009).

Figura 18 - Vista isométrica de um robô Gantry

Fonte: Siciliano et al, (2009).

Os robôs cartesianos possuem algumas vantagens e desvantagens em comparação aos demais tipos de robôs, as quais são descritas na Tabela 5 (PAATZ, 2008):

Tabela 5 - Vantagens e desvantagens dos robôs cartesianos

Grande capacidade de carga Grande área de apoio

Baixo custo Pouca flexibilidade

Cinemática simples Área de trabalho restrita

Alta precisão Peso elevado

(37)

2.6.2 Robô de coordenadas cilíndricas

Este tipo de robô caracteriza-se pela combinação de movimentos lineares com movimentos rotacionais. Normalmente possuem um movimento rotacional na cintura e movimentos lineares no restante da estrutura mecânica, ou seja, consistem de uma junta rotativa (R) e duas juntas prismáticas (P), codificado como Robô de Coordenadas Cilíndricas (RPP).

Outras características desses tipos de robôs é o fato de possuírem uma área de trabalho maior que a dos robôs cartesianos, mas em contrapartida, a rigidez mecânica é ligeiramente inferior (ROSÁRIO, 2005).

A Figura 19 ilustra um exemplo de robô de coordenadas cilíndricas.

Figura 19 - Vista frontal e superior de um Robô de Coordenadas Cilíndricas

Fonte: Romano (2002, p.19).

2.6.3 Robô de coordenadas polares (esféricas)

Este tipo de robô caracteriza-se por possuir dois movimentos rotacionais (na cintura e ombro) e um terceiro movimento linear, resultando em um envelope esférico formado pelos três eixos (x, y, z). Estes robôs possuem duas juntas rotativas (R) e uma prismática (P) e são codificados como Robô de Coordenadas Esféricas (RRP).

Outras características desses tipos de robôs são o fato de possuírem uma área de trabalho maior que os modelos cilíndricos, mas em contrapartida, sua rigidez mecânica é menor e seu controle é mais complicado devido aos movimentos de

(38)

rotação (ROSÁRIO, 2005). A Figura 20 ilustra um exemplo de robô de coordenadas polares.

Figura 20 - Vista isométrica de um Robô de Coordenadas Polares (esféricas)

Fonte: Romano (2002, p. 8).

2.6.4 Robô articulado (antropomórfico)

Este tipo de robô caracteriza-se pela grande semelhança com o braço humano. Possuem três juntas rotativas (R) e são codificados como Robô Articulado (Antropomórfico) (RRR). Outras características fundamentais são o fato de sua área de atuação ser maior que a de qualquer outro tipo de robô, contudo apresentam baixa rigidez mecânica e seu controle é complexo em virtude das três juntas rotativas (ROSÁRIO, 2005), conforme ilustra a Figura 21.

É o tipo mais versátil entre os robôs, sendo capaz de executar tarefas de montagem, soldagem, pintura, entre outras que demandem grande versatilidade.

Figura 21 - Vista isométrica de um Robô Articulado (antropomórfico)

(39)

Os robôs articulados possuem algumas vantagens e desvantagens em comparação aos demais tipos de robôs, as quais são descritas na Tabela 6 (PAATZ, 2008):

Tabela 6 - Vantagens e desvantagens dos robôs articulados

Grande área de trabalho Preço elevado

Apoio centralizado Grande número de componentes

Grande flexibilidade Cinemática complexa

Boa velocidade de operação Baixa rigidez Fonte: Paatz (2008).

2.6.5 Robô SCARA

Este tipo de robô é uma configuração recente utilizada nas indústrias para tarefas de montagem, caracteriza-se por possuir duas juntas rotativas (R) e uma prismática (P) e é codificado como RRP. Outras características são o fato de possuírem área de atuação menor do que o modelo esférico e são amplamente apropriados para operações de montagem (ROSÁRIO, 2005).

Dotados de apenas um ponto de apoio e seguido de duas juntas rotativas, uma prismática e, em alguns modelos, mais uma junta rotativa de orientação, os robôs Scara são adaptados para aproximação vertical, tornando-os ágeis nas atividades de movimentação de objetos (SCHMITT, 2009), conforme ilustra a Figura 22.

Figura 22 - Vista frontal e superior de um Robô Scara

(40)

Tabela 7 - Vantagens e desvantagens dos robôs Scara

Boa capacidade de carga Movimentos restritos Excelente repetibilidade Pouca flexibilidade

Alta velocidade Aproximação apenas vertical

Poucos componentes

Fonte: Paatz (2008).

2.6.6 Robô paralelo

Talvez o tipo mais complexo de robô industrial, caracteriza-se por possuir juntas que transformam movimentos de rotação em translação, ou usam diretamente juntas prismáticas, conforme ilustra a Figura 23. Sua principal característica é o volume de trabalho reduzido, porém com alta velocidade, o que o torna propício para certas atividades de montagem.

Caracteriza-se por ser o melhor tipo na atividade de manipulação de objetos, sendo utilizado principalmente em sistemas de organização e (ou) seleção de objetos com alta velocidade (SCHMITT, 2009).

Figura 23 - Vista isométrica de um robô paralelo

(41)

Tabela 8 - Vantagens e desvantagens dos robôs paralelos

Alta velocidade de operação Baixa capacidade de carga

Apoio centralizado Pouca flexibilidade

Baixo peso Área de trabalho restrita

Alta precisão de repetitividade Cinemática complexa Fonte: Paatz (2008)

2.7 APLICAÇÃO DE ROBÔS NA INDÚSTRIA

Os robôs são utilizados para realizar trabalhos repetitivos, insalubres ou perigosos para seres humanos, ou também para adicionar qualidade e produtividade a algum processo de fabricação.

Segundo a Federação Internacional de Robótica - IFR, no ano de 2012 eram contabilizadas mais de sete mil unidades de robôs no Brasil. A Figura 24 mostra um mapa com os países em destaque na utilização de robôs e a quantidade de unidades contabilizadas no ano de 2012.

Figura 24 - Mapa indicativo da quantidade de robôs operacionais contabilizados por países

(42)

As aplicações dos robôs nas indústrias são diversas, entre elas, as principais são:

 Soldagem por ponto;

 Soldagem por arco;

 Montagem;

 Manipulação de materiais;

 Pintura;

 Inspeção;

 Outras aplicações como corte por jato de água, corte por gás, acabamento e montagem.

Em termos percentuais, esta utilização pode ser visualizada no gráfico representado na Figura 25:

Figura 25 - Gráfico da aplicação de robôs nas indústrias, com base em Robotics Industries

Association (RIA) (2014)

(43)

2.8 MODELAGEM CINEMÁTICA DE UM ROBÔ

Um manipulador pode ser esquematicamente representado de um ponto de vista mecânico como uma cadeia cinemática de corpos rígidos (elos) conectados por meio de juntas. A cinemática do manipulador robótico consiste na descrição do movimento em relação a um sistema de referência fixo independentemente das forças inerciais e externas atuantes, é por tanto, a relação analítica entre as variáveis de junta e a posição e orientação do efetuador final (SICILIANO et al, 2009).

2.8.1 Cinemática direta

A cinemática direta tem como objetivo determinar a localização (posição e orientação) do efetuador final em relação a um sistema de coordenadas de referência (NOF, 1999).

Para o cálculo da cinemática direta são utilizados os parâmetros de Denavit-Hartenberg (D-H), que é um processo de equacionamento com o objetivo de chegar-se em uma matriz que identifica a orientação e posição do efetuador final em relação ao eixo de coordenadas da base (SCIAVICCO; SICILIANO, 1996).

Para a cinemática, é necessário definir o sistema de referência e a forma como os links (elos) são conectados entre si (CRAIG, 2005). A Figura 26 mostra um sistema de referências {i} rigidamente conectado a um elo “i”.

Figura 26 - Desenho esquemático de um sistema de referência Denavit-Hartenberg

(44)

A notação de Denavit-Hartenberg pode ser dividida em 4 etapas (LOPES, 2015):

1ª etapa: Determinação dos sistemas de referência

A primeira etapa consiste na representação dos sistemas de coordenadas em cada um dos elos do robô, realizado da seguinte maneira:

1º passo: Em cada junta i representa-se o eixo zi-1;

2º passo: Na normal comum entre z_i-1 e zi representa-se o eixo xi ;

3º passo: Representa-se cada eixo y através da regra da mão direita.

2ª etapa: Definição dos parâmetros de Denavit-Hartenberg

Na segunda etapa são definidos os parâmetros em relação aos sistemas de coordenadas definidos anteriormente, onde:

 : é a distância entre e , medida ao longo do eixo , que é a normal comum entre _e.

 : é o ângulo entre o eixo e o eixo , medido em torno do eixo , segundo a regra da mão direita, ou seja, é o ângulo de rotação em torno do eixo

, que o eixo deve girar para que fique paralelo ao eixo .

 : é a distância entre os eixos e , medida sobre o eixo (que é a

normal comum entre e );

 : é o ângulo entre o eixo e o eixo , medido em torno do eixo , segundo a regra da mão direita, ou seja, é o ângulo de rotação em torno do eixo

, que o eixo deve girar para que fique paralelo ao eixo .

3º etapa: Cálculo das matrizes de transformação homogênea

Com a notação de Denavit-Hartenberg definida, pode-se obter a posição e orientação do efetuador em relação ao sistema de coordenadas da base em função

(45)

dos deslocamentos de todas as juntas. O deslocamento de cada junta é dada por ou dependendo do tipo de junta.

 se a junta i for rotativa;

 se a junta i for prismática.

Dessa forma, a posição e orientação do elo relativo ao elo é descrita através da matriz homogênea representada na Equação (1) (SCIAVICCO; SICILIANO, 1996): Aii-1 =               1 0 0 0 0 . . . . . . i i i i i i i i i i i i i i i i i d Cos Sen Sen a Sen Cos Cos Cos Sen Cos a Sen Sen Cos Sen Cos               (1)

4º etapa: Matriz de transformação para o sistema de referência da base:

A partir das matrizes de transformação homogênea que relacionam um sistema de referência em relação ao anterior é possível calcular uma nova matriz de transformação homogênea que relaciona o sistema de referência do efetuador final em relação ao sistema de referência do Elo 0 (base fixa).

Um manipulador consiste de elos, com a base sendo o elo 0 e o efetuador o elo . Portanto, do efetuador a base existem transformações homogêneas consecutivas, assim, a posição e orientação do efetuador é dada pela Equação (2):

= ₍₂₎

2.8.2 Cinemática inversa

A cinemática inversa, ao contrário da cinemática direta, consiste em identificar as variáveis de junta a partir das coordenadas de referência (posição e orientação) do efetuador final (SICILIANO et al, 2009).

(46)

O problema de cinemática inversa é complexo, uma vez que, envolve equações cinemáticas não lineares. O cálculo da cinemática inversa é realizado a partir da posição e orientação do efetuador. Em particular, refere-se ao cálculo de todos os possíveis conjuntos de ângulos das juntas que podem ser utilizados para atingir determinada posição e orientação do efetuador, ou seja, possui múltiplas soluções (GARCIA, 2013).

A Figura 27 mostra o desenho esquemático da cinemática inversa de um robô articulado, onde são as variáveis de juntas e os eixos do sistema de referência.

Figura 27 - Desenho esquemático da cinemática inversa de um robô articulado

Fonte: Garcia (2013 p. 34).

2.8.3 Cinemática diferencial (matriz jacobiana)

A cinemática diferencial é a relação entre as velocidades lineares e velocidades angulares do efetuador final em relação às velocidades lineares e angulares das juntas, sendo o equacionamento base para o controle de velocidade do manipulador robótico (SICILIANO et al, 2009).

Ao realizar a análise das velocidades do mecanismo, é conveniente definir uma matriz chamada Jacobiana do manipulador. Essa matriz realiza o mapeamento das velocidades angulares nas juntas, para velocidades em coordenadas cartesianas (VALDIERO, 1998).

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A Figura 28 representa a relação entre as velocidades angulares das juntas , a velocidade e a rotação da garra.

Figura 28 - Relação entre as velocidades angulares das juntas ϴ_i, a velocidade v e a rotação w da garra

As relações das velocidades lineares e angulares do efetuador em função das velocidades das juntas podem ser unidas em uma mesma Equação (3) (CABRAL, 2004):  v =       on o o o pn p p p J J J J J J J J ... ... 3 2 1 3 2 1 .                     n q q q q 3 2 1 (3)

A matriz é definida como sendo a matriz jacobiana do efetuador. Esta matriz relaciona as velocidades lineares e angulares do efetuador expressas no sistema de coordenadas da base, com as velocidades das juntas ̇, para uma dada configuração do manipulador.

 Se a junta “ ” for rotativa, usa-se a Equação (4):

= ( (4) =

(48)

 Se a junta “i” for prismática, usa-se a Equação (5):

= (5) = ⃗

(49)

3 PROJETO DO ROBÔ ARTICULADO

Neste capítulo será apresentado o projeto do robô articulado e a modelagem cinemática, segundo a metodologia descrita por Valdiero (1998, 2005), detalhando os principais componentes mecânicos e elétricos que compõem a estrutura. Este projeto visa utilizar componentes que estejam disponíveis na universidade, a fim de minimizar custos, dessa forma tais elementos não foram especificamente dimensionados para projeto do robô, mas sim combinados para que juntos possam formar um equipamento funcional.

S-egundo Valdiero (2005, p. 25) um robô industrial pode ser dividido basicamente em três partes principais:

 Mecanismo;

 Acionamento;

 Sistema de controle.

A Figura 29 ilustra os principais componentes de um robô industrial.

Figura 29 - Principais componentes de um robô industrial

(50)

3.1 MECANISMO

O mecanismo é a parte mecânica do robô responsável pela execução dos movimentos, é composto por elos, juntas e o efetuador final. O mecanismo forma a estrutura cinemática do manipulador pelo fato de dispor de elos e juntas, determinando o tipo do manipulador robótico (Articulado, Paralelo, Scara, Cartesiano, etc.) (VALDIERO, 2005).

Para os manipuladores articulados, o mecanismo básico é composto de três juntas rotativas (RRR) e tem o papel de fornecer a rigidez adequada ao manipulador, prover suporte aos acionamentos e sensores visando não afetar a precisão do manipulador.

3.1.1 Projeto mecânico do mecanismo

A estrutura de manipuladores robóticos pode ser rígida ou flexível, e para o projeto do mecanismo do manipulador deve-se levar em consideração a mais importante característica da estrutura, como sendo a rigidez, a deflexão e a torção. Existem dois tipos de estruturas em manipuladores, de casca e de viga. A estrutura de casca tem menor peso e maior resistência. O método de fabricação dos elos do robô também tem influência nas características estruturais do robô. As formas mais básicas e usuais de fabricação dessas estruturas são as parafusadas, soldadas, fundidas ou plásticas (VALDIERO, 1998).

Um braço pesado necessita de um motor maior, o que torna o custo do robô mais elevado. Um braço de baixa rigidez reduz a precisão do robô devido as vibrações e resposta à tensão. Para aumentar a rigidez mecânica do braço sem aumentar seu peso, frequentemente é usada uma estrutura oca (casca), com maior rigidez mecânica se comparada com uma construção maciça que utiliza a mesma massa de material (ROSÁRIO, 2005).

As estruturas parafusadas são simples de serem fabricadas e são baratas, mas podem ter problemas de variação de dimensão causado pela montagem e desmontagem. As estruturas soldadas e fundidas (injetadas) não apresentam os problemas das estruturas parafusadas, porém são mais caras pelo fato de necessitarem operações adicionais de fabricação, como alívio de tensões e acabamento superficial (VALDIERO, 1998).

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Na Figura 30 pode ser visualizada a estrutura parafusada (a), soldada (b) e fundida ou injetada (c).

Figura 30 - Estrutura parafusada (a), soldada (b) e fundida ou injetada (c)

O alumínio e o aço são os materiais mais comuns para as estruturas dos robôs, devido ao seu baixo custo, apesar de que existam materiais mais nobres como fibras de carbono, materiais termoplásticos que caracterizam-se pela alta rigidez e mínima massa, porém com custo mais alto. Independente do material utilizado, as estruturas projetadas devem visar à redução de peso e consequentemente a redução de potência necessária para o acionamento (VALDIERO, 1998).

Visando a construção do protótipo, as alternativas de projeto foram limitadas aos materiais e meios de fabricação existentes no laboratório e ao baixo custo de fabricação, limitando o número de componentes que necessitem processo de corte, dobra e usinagem. Na Tabela 9 pode ser visualizada a lista de materiais disponíveis para utilização na estrutura do robô.

Tabela 9 - Lista de materiais disponíveis para utilização na estrutura do robô

Material

Chapa 1,90mm SAE 1020 Ferro redondo SAE 1020 Rolamento Ø26mm x Ø10mm Barra roscada M8

Parafuso Allen M6 Porca Sextavada M6 Tubo Redondo Ø12,7x1,5

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Para o projeto dos elos do robô articulado projetado, considerando aspectos como resistência, peso, número de componentes, custo de fabricação e disponibilidade de matéria prima, optou-se pelo uso da estrutura parafusada (tipo casca) fabricada em aço. O projeto mecânico do mecanismo apresenta três juntas rotativas, conforme ilustra a Figura 31, acionadas por motores elétricos, compostas por eixos e buchas de aço acopladas a rolamentos, que transmitem o movimento de rotação.

Figura 31 - Vista isométrica da estrutura do robô articulado

O Elo 0 (base fixa) é conectado a uma junta rotativa (J1) que realiza o movimento angular e rotativo, sem deslocamento axial ou radial. Segundo Valdiero (1998, p. 30) “[...] a utilização de rolamentos resulta em baixo atrito e alta precisão e é importante para preservar a rigidez da junta”.

A Figura 32 mostra, detalhadamente, os principais componentes mecânicos do Elo 1, sendo as chapas (1) e (3) fixas por meio de tirantes compostos por barras roscadas M8 (4), tubos limitadores de altura (2) e porcas sextavadas M8 (9). O motor (14) é fixo por meio de porcas sextavadas M6 (9) e barras roscadas M6 (12) na chapa (3). O encoder incremental (15) é fixo na chapa (3) por meio de parafuso, e

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realiza a medição da posição de acordo com o giro do eixo (11) que é acoplado ao motor e guiado pelo rolamento (7) acoplado a bucha (5) e. As chapas dobradas (18) e (19) são montadas sobre a chapa (10), a bucha (5) e rolamento (7) são responsáveis pelo movimento do Elo 1. A Figura 33 mostra a vista frontal (a) e isométrica (b) do Elo 0.

Figura 32 - Vista isométrica explodida dos principais componentes de Elo 1

Figura 33 - Vista frontal (a) e isométrica (b) do Elo 0