Desenvolvimento de Um Braço Robótico de Quatro Graus de Liberdade

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

DESENVOLVIM

DESENVOLVIMENTO DE UM BRAÇO ENTO DE UM BRAÇO ROBÓTICO MÍMICO DE QUATRO GRAUSROBÓTICO MÍMICO DE QUATRO GRAUS DE LIBERDADE

DE LIBERDADE

Uendel Diego da Silva

Uendel Diego da Silva AlvesAlves

Prof.ª Dra. Ana Beatriz

Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez MamAlvarez Mamaniani

RIO BRANCO

RIO BRANCO – – ACRE ACRE 2015

DESENVOLVIMENTO DE UM BRAÇO ROBÓTICO MÍMICO DE

DESENVOLVIMENTO DE UM BRAÇO ROBÓTICO MÍMICO DE

QUATRO GRAUS DE LIBERDADE

QUATRO GRAUS DE LIBERDADE

Uendel Diego da Silva Alves

Uendel Diego da Silva Alves

Orientadora: Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez Mamani Orientadora: Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez Mamani

Trabalho de Conclusão de Curso

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao apresentado ao Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica como Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de

título de Bacharel em Engenharia Elétrica.Bacharel em Engenharia Elétrica.

Banca Examinadora: Banca Examinadora: Prof.ª Dra. Ana

Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez MamaniBeatriz Alvarez Mamani Prof. Dr.

Prof. Dr. Anselmo Fortunato Ruiz RodriguezAnselmo Fortunato Ruiz Rodriguez Prof. Dr. Roger

Prof. Dr. Roger Fredy Larico ChavezFredy Larico Chavez

Rio Branco

Rio Branco – – AC AC 2015

iiii

Bibliotecária:

Bibliotecária: Vivyanne Ribeiro das Mercês Neves CRB-11/600Vivyanne Ribeiro das Mercês Neves CRB-11/600  A474d

 A474d  Alves, Uend Alves, Uendel Diego da Sel Diego da Silva, 1987-ilva,

1987-Desenvolvimento de um braço robótico mímico de quatro graus de Desenvolvimento de um braço robótico mímico de quatro graus de liberdade / Uendel Diego da Silva.

liberdade / Uendel Diego da Silva. – – 2015. 2015. 115 f. : il. ; 30 cm.

115 f. : il. ; 30 cm. TCC (Graduação)

TCC (Graduação)  – –  Universidade Federal do Acre, Centro de  Universidade Federal do Acre, Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, Curso de Bacharelado em Ciências Exatas e Tecnológicas, Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica. Rio Branco, 2015.

Engenharia Elétrica. Rio Branco, 2015. Inclui referências bibliográficas. Inclui referências bibliográficas. Orientadora:

Orientadora: Prof.ª Dra. Prof.ª Dra. Ana Beatriz Ana Beatriz Alvarez Mamani.Alvarez Mamani.

1. Arduino (controlador programável). 2. Robótica. 3. Cinemática. 1. Arduino (controlador programável). 2. Robótica. 3. Cinemática. I. Título.

I. Título.

CDD: 629.895 CDD: 629.895

iii Autor: Uendel Diego da Silva Alves

Data de Defesa: 18 de Setembro de 2015

Título do Trabalho:  DESENVOLVIMENTO DE UM BRAÇO ROBÓTICO MÍMICO DE QUATRO GRAUS DE LIBERDADE

 ______________________________________________ Prof.ª Dra. Ana Beatriz Alvarez Manani (Presidente)

CCET/UFAC

 _________________________________________________ Prof. Dr. Anselmo Fortunato Ruiz Rodriguez

Bionorte/UFAC

 ______________________________________________ Prof. Dr. Roger Fredy Larico Chavez

v

 A Deus, pelas oportunidades que me foram concedidas e pela saúde que me possibilitou percorrer este caminho.

 Aos meus pais, por terem me amparado material e financeiramente durante todos estes anos de vida.

 A minha esposa Marijara M. Maciel pelo companheirismo, suporte emocional e por ter dado à luz a minha fonte de motivação e força diárias na busca por um futuro melhor: minha filha Maraisa Maria.

 Aos meus amigos Thiago M. de Lima e Vanderson N. Barros que nunca se omitiram no apoio, conselho e horas de estudos que por diversas vezes romperam madrugadas.

 Aos meus amigos Andrei O. M. Porfiro e Ronaldo F. R. Pereira por terem bravamente liderado esta verdadeira expedição acadêmica em busca do conhecimento. Me sinto honrado de fazer parte desta turma.

 A Universidade Federal do Acre pela oportunidade que me foi dada.

 A coordenação do Curso de Engenharia Elétrica que sempre demonstrou empenho e dedicação em fornecer aos alunos as condições suficientes no que tange à vida acadêmica.

 Aos professores que já se faziam presentes nesta instituição quando do início do curso, e aos que vieram posteriormente de outros estados ou país, pelo conhecimento transmitido, credibilidade e dedicação concedida ao curso de Engenharia Elétrica da UFAC, em especial a minha orientadora, Professora Dra. Ana Beatriz. A. Mamani por sua contribuição em meu trabalho e ao Professor Dr. Omar A. C. Vilcanqui pelas ideias e apontamentos que, sem dúvidas, foram de suma importância.

vi

O presente trabalho tem por finalidade o desenvolvimento de um braço robótico de quatro graus de liberdade que imita os movimentos realizados por outro braço articulado. Para isto, o trabalho compreende a modelagem do sistema para análise da estrutura, simulação do modelo em ambiente computacional e finalmente o seu desenvolvimento experimental.

Para análise dos movimentos do braço, é realizada a modelagem por meio da cinemática direta pelo uso da metodologia de Denavit-Hartenberg, ferramenta utilizada para sistematizar a descrição cinemática de sistemas mecânicos articulados com n graus de liberdade. Após a modelagem, os valores obtidos pela cinemática direta desenvolvida são comparados aos resultados provenientes de simulação em ambiente Simulink® Matlab®. Para construção do protótipo foram utilizados componentes como placa de prototipagem eletrônica de código aberto Arduino™, sensor MPU-6050™ (giroscópio de três eixos + acelerômetro de três eixos), servomotores e elementos estruturais produzidos em material acrílico e MDF  (Medium-Density Fiberboard  - placa de madeira de densidade média) projetados com o auxílio da ferramenta AutoCAD® 2013. Dentre as aplicações possíveis deste protótipo, é possível destacar o uso para a inspeção de artefatos explosivos e materiais nocivos à saúde e integridade física das pessoas.

 Ao final do trabalho são discutidos os resultados da simulação computacional e demonstração da operação do braço robótico desenvolvido em bancada experimental.

Palavras-chave: Arduino™; Braço robótico; Cinemática Direta; Denavit-Hartenberg; Robótica Mímica.

vii

The present work aims to develop a robotic arm of four degrees of freedom that mimics the movements performed by another articulated arm. For this, the work includes the system modeling for the structure analysis, model simulation in computing environment and its experimental development.

For the analysis of arm movements, it is performed the modeling through forward kinematics by using the Denavit-Hartenberg methodology, tool used to organize the kinematic description of articulated mechanical systems with n degrees of freedom. After that, the values obtained by forward kinematics developed are compared to the results from simulation in Matlab® Simulink® environment. For the construction of the prototype were used components such as open source electronic prototyping board Arduino™, MPU-6050™ sensor (three-axis gyroscope + three-axis accelerometer), servomotors and structural elements produced in acrylic and MDF (Medium-Density Fiberboard) designed with the help of the AutoCAD® 2013. Among the possible applications of this prototype, it can highlight the use for inspection of explosive devices and harmful materials to health and physical integrity of persons.

 At the end of the work are discusses the results of the computational simulation and demonstration of the robot arm operation developed in experimental bench.

Keywords: Arduino™; Robotic Arm; Forward Kinematics; Denavit-Hartenberg; Mimicking Robotics.

viii

Figura 1.2 – Detalhe do console do da Vinci® Surgical System... 19

Figura 1.3 – Robô militar Dragon Runner ® ... 20

Figura 1.4 – Robô militar TALON ® ... 20

Figura 1.5 – Tactical Robot Controller  - TRC ... 21

Figura 1.6 – Correlação entre braços humano e robótico proposto por Serrano et al. (2010) ... 22

Figura 2.1 – Braço robótico comparado ao braço humano ... 28

Figura 2.2 – Esquema de notação de elos e juntas em um braço robótico ilustrativo ... 28

Figura 2.3 – Esquema representativo de braços articulados com 1 GL e 2 GL ... 29

Figura 2.4 – Tipos de vínculos ou juntas empregadas em robôs... 30

Figura 2.5 – Representação esquemática das juntas ... 31

Figura 2.6 – Representação tridimensional de um robô cartesiano PPP (3GL) ... 33

Figura 2.7 – Volume de trabalho de um robô cartesiano de três graus de liberdade ... 33

Figura 2.8 – Representação tridimensional de um robô de coordenadas cilíndricas RPP (3 GL) ... 34

Figura 2.9 –  Volume de trabalho de um robô de coordenadas cilíndricas de três graus de liberdade ... 34

Figura 2.10 – Representação tridimensional de um robô articulado RRR (3 GL) ... 35

Figura 2.11 – Áreas de trabalho de um robô articulado RRR de três graus de liberdade ... 36

Figura 2.12 – Representação tridimensional de um robô de coordenadas esféricas RRP (3 GL) ... 37

Figura 2.13 –  Volume de trabalho de um robô de coordenadas esféricas de 3 graus de liberdade ... 37

Figura 2.14 – Representação tridimensional de um robô SCARA (RRP) de 3 GL ... 38

Figura 2.15 – Volume de trabalho de um robô SCARA de 3 graus de liberdade ... 38

Figura 2.16 – Configuração de um punho RT na forma compacta ... ... 39

Figura 2.17 – Configuração de um punho TRT na forma compacta ... 39

Figura 2.18 – Definição dos ângulos de orientação roll, pitch e yaw ( ϕ, θ, Ψ)... 40

Figura 2.19 – Garras de dois dedos (formas de movimentação) ... 41

Figura 2.20 – Garra de três dedos ... 42

Figura 2.21 – Garra para preensão de objetos cilíndricos ... 43

Figura 2.22 – Modelo de garra articulada ... 43

ix

Figura 2.26 – Algoritmo resumido de Denavit-Hartenberg... 54

Figura 3.1 – Alocação de frames intermediários {P}, {Q} e {R} ... 57

Figura 3.2 – Representação por imagem computacional do braço robótico ... 59

Figura 3.3 – Representação dos quatro eixos de revolução do braço robótico ... ... 60

Figura 3.4 – Representação dos eixos de revolução e extração dos frames de coordenadas (dimensões em milímetros) ... 60

Figura 3.5  –  Detalhe dos eixos coordenados e alocação dos frames  (dimensões em milímetros) ... 61

Figura 3.6 –  Comandos para a elaboração em ambiente Matlab® do braço robótico com auxílio da ferramenta Robotics Toolbox ... 66

Figura 4.1 – Imagem ilustrando alguns produtos Arduino™: (a) Arduino™ Uno; (b) Arduino™ Mega; (c) Arduino™ Micro; (d) Arduino™ Nano; (e) Arduino™ Lilypad  ... 70

Figura 4.2 – Vista frontal de uma placa Arduino™ Uno... 70

Figura 4.3 – Especificações técnicas da placa Arduino™ Uno ... 72

Figura 4.4 – Exemplos dos componentes de um servomotor ... 74

Figura 4.5 – Exemplo de pulsos de controle de um servomotor ... 76

Figura 4.6 – Servomotores: (a) Tower Pro™ SG90; (b) TowerPro™ SG-5010 ... 77

Figura 4.7 – Especificações técnicas dos servomotores utilizados ... 77

Figura 4.8 – Placa GY-525 composta pelo sensor InvenSense® MPU-6050™ ... 79

Figura 4.9 – Diagrama de blocos do MPU-6050™... 79

Figura 4.10 – (a) Braço robótico atuador; (b) Braço articulado controlador ... 81

Figura 4.11 – Esquema de ligação elétrica dos componentes no software Fritzing ... 82

Figura 4.12 – Ângulos de operação do braço robótico ... 83

Figura 4.13 – Região de operação do braço robótico ... 83

Figura 5.1 –  Comandos para a elaboração da cinemática direta no Matlab®: valores dos ângulos de juntas θ1 = θ2 = θ3 = θ4 = 0 (destaque) ... 85

Figura 5.2 – Resultados da cinemática direta no Matlab® para ângulos θ 1 = θ2 = θ3 = θ4 = 0 ... 86

Figura 5.3 – Simulação gráfica do braço robótico para valores de θ 1 = θ2 = θ3 = θ4 = 0 (valores em milímetros) ... 87

Figura 5.4 –  Comandos para a elaboração da cinemática direta no Matlab®: valores dos ângulos de juntas θ1 = θ3= 90º e θ2 = θ4 = -90 (destaque) ... 88

x

(valores em milímetros) ... 89

Figura 5.7 –  Comandos para a elaboração da cinemática direta no Matlab®: valores dos ângulos de juntas θ1= 180º, θ2= -60º, θ3 = -45 e θ4 = 30º (destaque) ... 91

Figura 5.8 – Resultados da cinemática direta no Matlab® para ângulos θ 1= 180º, θ2= -60º, θ3 = -45 e θ4 = 30º ... 91

Figura 5.9 – Simulação gráfica do braço robótico para valores de θ 1= 180º, θ2= -60º, θ3 = -45 e θ4 = 30º (valores em milímetros) ... 92

Figura 5.10 – Modelo geral do braço robótico em ambiente Simulink® ... 93

Figura 5.11 – Modelo Simulink® do bloco Base Rígida... 94

Figura 5.12 – Modelo Simulink® do bloco Base Giratória ... 94

Figura 5.13 – Modelo Simulink® do bloco Braço... 94

Figura 5.14 – Modelo Simulink® do bloco  Antebraço... 95

Figura 5.15 – Modelo Simulink® do bloco Garra1 ... 95

Figura 5.16 – Movimentos simulados no Simulink® (1) ... 96

Figura 5.17 – Movimentos simulados no Simulink® (2) ... 96

Figura 5.18 – Movimentos simulados no Simulink® (3) ... 97

Figura 5.19 – Movimentos simulados no Simulink® (4) ... 97

Figura 5.20 – Correlação entre braço robótico atuador e braço controlador (1) ... ... 98

Figura 5.21 – Correlação entre braço robótico atuador e braço controlador (2) ... ... 99

Figura 5.22 – Correlação entre braço robótico atuador e braço controlador (3) ... ... 99

xi

CAD Computer Aided Design Desenho Auxiliado por Computador CAM Computer Aided Manufacturing Manufatura Auxiliada por_Computador

CC Corrente Contínua

D-H Denavit-Hartenberg

DMP Digital Motion Processor Processador de Movimento Digital

DOF Degree of Freedom Grau de Liberdade

GL Grau de Liberdade

IDE Integrated Development_Environment  Ambiente de Desenvolvimento_Integrado I²C Inter-Integrated Circuit Circuito Inter-Integrado

LED Light Emitting Diode Diodo Emissor de Luz

MDF Medium-Density Fiberboard Placa de Madeira de Densidade_Média MEMS MicroElectroMechanical Systems Sistemas Micro-Elétrico-Mecânicos

PPP Prismática-Prismática-Prismática

PWM Pulse Width Modulation Modulação por Largura de Pulso RPP Revolução-Prismática-Prismática

RRP Revolução-Revolução-Prismática RRR Revolução-Revolução-Revolução

RT Rotacional-Torcional

xii TRT Torcional-Rotacional-Torcional

TRC Tactical Robot Controller Controlador de Robô Tático

xiii

CA PÍTULO 1 _– INTRODUÇÃO ...15

1.1 CONSIDERAÇÕES HISTÓRICAS E A EXPANSÃO DA ROBÓTICA ...15

1.2 A IMPORTÂNCIA DA ROBÓTICA PARA O HOMEM ...16

1.3 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO ...22

1.4 OBJETIVO GERAL ...24

1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...24

1.6 JUSTIFICATIVA ...24

1.7 MOTIVAÇÃO ...25

CA PÍTULO 2 _– MARCO TEÓRICO ...27

2.1 CONCEITOS BÁSICOS DE UM ROBÔ ...27

2.1.1 GRAUS DE LIBERDADE ...28 

2.1.2 JUNTAS ROBÓTICAS ...29

2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS ROBÔS ...31

2.2.1 CONFIGURAÇÃO CINEMÁTICA ...31

2.2.1.1 Robô de Coordenadas Cartesianas ...32

2.2.1.2 Robô de Coordenadas Cilíndricas ...33

2.2.1.3 Robô Articulado (Coordenadas de Revolução ou Rotativas) ...35

2.2.1.4 Robô de Coordenadas Esféricas ...36

2.2.1.5 Robô SCARA...37

2.2.2 CONFIGURAÇÃO DOS PUNHOS ...39

2.3 CAPACIDADE DE REALIZAÇÃO DE TAREFAS ...39

2.4 GARRAS E FERRAMENTAS TERMINAIS ...41

2.4.1 GARRA DE DOIS DEDOS ...41

2.4.2 GARRA DE TRÊS DEDOS ...42 

2.4.3 GARRA PARA PREENSÃO DE OBJETOS CILÍNDRICOS ...42 

2.4.4 GARRA ARTICULADA ...43

2.5 CINEMÁTICA DE BRAÇOS ROBÓTICOS ...43

2.5.1 INTRODUÇÃO ...43

2.5.2 SISTEMAS DE REFERÊNCIA ...44

2.5.3 MODELO GEOMÉTRICO ...46 

2.6 MATRIZ DE TRANSFORMAÇÃO PELO MÉTODO DE DENAVIT-HARTENBERG ...48

2.6.1 APRESENTAÇÃO DA SISTEMÁTICA DE DENAVIT-HARTENBERG...48 

2.6.2 DESCRIÇÃO DA NOTAÇÃO DE DENAVIT-HARTENBERG ...50 

2.6.3 EXEMPLO DE APLICAÇÃO ...52 

2.6.4 ALGORITMO PARA OBTENÇÃO DO SISTEMA DE COORDENADAS PARA O LINK ...53

xiv

3.4 ATRIBUIÇÃO DOS FRAMES DE COORDENADAS PELO MÉTODO DE D-H...59

3.5 CINEMÁTICA DIRETA: CÁLCULO DA MATRIZ DE TRANSFORMAÇÃO ...61

3.6 CINEMÁTICA DIRETA DO BRAÇO ROBÓTICO EM AMBIENTE MATLAB® ...65

CA PÍTULO 4 _– IMPLEMENTAÇÃO EM B ANCADA E XPER IMENTAL ...68

4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ...68

4.2 MATERIAL UTILIZADO ...68

4.3 DESCRIÇÃO DOS DISPOSITIVOS UTILIZADOS NA EXECUÇÃO DO PROJETO ...69

4.3.1 A PLACA ARDUINO™...69

4.3.2 SERVOMOTORES ...73

4.3.2.1 Princípio de Funcionamento dos Servomotores ...74

4.3.2.2 Controle do Ângulo de Rotação dos Servomotores ...75

4.3.2.3 Torque dos Servomotores ...76

4.3.3 DISPOSITIVO MPU-6050™ - PLACA GY-521 ...78 

4.4 DESCRIÇÃO DO PROJETO EM BANCADA EXPERIMENTAL ...79

4.5 ESQUEMA DE LIGAÇÃO DOS COMPONENTES ...81

4.6 ÁREA DE TRABALHO DO BRAÇO ROBÓTICO ...83

CA PÍTULO 5 _– RE SULTADOS E DISCUSS ÕES ...84

5.1 DESCRIÇÃO DAS CONDIÇÕES DE TESTE ...84

5.2 COMPARAÇÃO ENTRE OS VALORES CALCULADOS E OS VALORES SIMULADOS NO MATLAB® ...84

5.2.1 SITUAÇÃO 1 ...84

5.2.2 SITUAÇÃO 2 ...87 

5.2.3 SITUAÇÃO 3 ...90 

5.3 SIMULAÇÃO DOS MOVIMENTOS DO BRAÇO EM AMBIENTE SIMULINK® ...92

5.4 TESTES FÍSICOS DO BRAÇO ROBÓTICO DESENVOLVIDO...98

CA PÍTULO 6 –CONSIDERA ÇÕES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS ...101

6.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES ...101

6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...102

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...104

APÊNDICE A – ELEMENTOS ESTRUTURAIS DO BRAÇO ATUADOR ...107

APÊNDICE B – ELEMENTOS ESTRUTURAIS DO BRAÇO CONTROLADOR ...109

APÊNDICE C – CÓDIGO FONTE PARA ARDUINO™...112

CA PÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 CONSIDERAÇÕES HISTÓRICAS E A EXPANSÃO DA ROBÓTICA

Sob o enfoque da robótica, que é a base deste trabalho, faz-se necessário elencar alguns aspectos históricos importantes que culminaram com a democratização das máquinas autônomas e semiautônomas em diversas áreas.

 A primeira citação do neologismo robô é encontrada no trabalho do escritor tcheco Karel Capek (1890-1938), quando este utilizou em 1921 o termo robota em sua peça teatral intitulada R.U.R. (Rossum’ s Universal Robots, que pode ser traduzida para o português como Robôs Universais de Rossum) (CAVALCANTE, 2012).

Esta peça teatral conta a história de um cientista chamado Rossum, que cria uma substância química e a usa para a construção de humanoides com o intuito de que estes sejam obedientes e realizem todo o trabalho físico. O termo tcheco robota significa trabalho exercido de forma compulsória, atividade forçada, que originou a expressão em inglês robot , posteriormente vindo a ser traduzido para o português como robô (SANTOS, 2014).

No decorrer da evolução da espécie, os seres humanos, dotados de capacidades de mutação e adaptação frente às demandas impostas, confrontaram- se por diversas vezes com o desafio da modernização de suas estruturas social, tecnológica, econômica e produtiva. Estas situações de a dversidade impulsionaram o homem a elaborar e adotar equipamentos capazes de desempenhar tarefas repetitivas, complexas ou que apresentem grau de periculosidade considerável, de tal forma que estes equipamentos passaram a ocupar grande parte das áreas do conhecimento (educação, militar, etc.). Uma das áreas onde ocorreu significativa utilização destes foi na produção e automação industrial (CRAIG, 2006).

Segundo Craig (2006), a história da automação industrial pode ser caracterizada por momentos de alterações rápidas nos métodos populares, sejam estes sociais, de produção, na ciência, na arte, na tecnologia, etc. Tais períodos, de fato, sempre vieram atrelados a mudanças nas técnicas de produção, seja como causa ou também como efeito.

Contudo, para Cavalcante (2012, p. 22):

Embora não haja um consenso claro entre os pesquisadores sobre o começo da ciência robótica, parece que a mesma teve seu início no

desenvolvimento da pesquisa de teleoperação de manipuladores durante e depois da II Guerra Mundial para tratamento de material nuclear [...]

 Além do manuseio de materiais radioativos, outras áreas de pesquisa têm tomado vantagens da utilização de robôs comandados pelo homem, tais como explorações em profundezas do mar, exploração espacial, operações militares, vigilância patrimonial e pessoal, telecirurgia, etc. (CAVALCANTE, 2012).

Garcia et al. (2007 apud SANTOS; NASCIMENTO; BEZERRA, 2007) menciona que, originalmente, a área de robótica também se desenvolveu fundamentada na necessidade de se encontrar soluções apropriadas para necessidades técnicas, tais como acesso a ambientes confinados, reabilitação de pacientes e sondas espaciais.

Por outro lado, a partir do ano de 1960 o uso da robótica em conjunto principalmente com softwares  do tipo CAD (Computer Aided Design), que significa desenho assistido por computador e softwares  do tipo CAM  (Computer Aided Manufacturing ), que pode ser traduzido como manufatura auxiliada por computador pavimentaram o caminho que conduziu à sua consolidação em áreas diversificadas, sendo valioso expor ainda que, por meio dos processos industriais automatizados, o ramo da robótica foi capaz de assumir papel de destaque (CRAIG, 2006).

 Assim sendo, a utilização massiva de robôs industriais em conjunto com a necessidade de se manipular com segurança materiais nocivos permitiu que a robótica se consolidasse e ocupasse espaço de destaque, colocando-a em um patamar elevado dentro das tarefas desempenhadas para o benefício dos seres humanos.

1.2 A IMPORTÂNCIA DA ROBÓTICA PARA O HOMEM

 A progressiva necessidade de se automatizar tarefas em vários setores tem se tornado, muitas das vezes, necessidade fundamental para o propósito de uma empresa ou entidade que almeja melhorar sua eficiência, agilizar funções repetitivas ou ainda assegurar a seus servidores quando da realização de tarefas que geram riscos a estes. Realizar trabalhos automatizados ou mesmo controlados por um operador que exigem precisão e controle exato das variáveis envolvidas são cada vez mais requisitadas (CRUZ, 2010).

Devido a vários fatores como precisão, grau elevado de periculosidade da operação, necessidade de se acelerar o trabalho, produtividade em alta escala, etc., faz-se imprescindível o uso de mecanismos acionados por um operador ou autocontrolados. É na tentativa de suprir esta demanda que a robótica se insere.

De acordo com Rocha (2001), a utilização da robótica permitiu aumentar o grau de automação e flexibilidade de tarefas fabris, facilitando a integração total e o controle otimizado de sistemas. Permitiu também otimizar o fluxo de materiais, através de um correto escalonamento das tarefas, contribuindo para a melhoria significativa da produtividade global de um dado sistema, bem como eliminar a presença humana em ambientes potencialmente agressivos e perigosos para a saúde (ex. indústria que possuam maquinários pesados, indústrias químicas, área nuclear, etc.).

 Ainda de acordo com Rocha, (2001, p.4):

É uma tarefa fortemente interdisciplinar, envolvendo áreas tecnológicas tão diversas como: sensores e atuadores, eletrônica de potência, energia, projeto mecânico, cinemática, dinâmica, teoria do controle, escalonamento em tempo real, investigação operacional, sistemas de informação, telecomunicações, etc.

Segundo Miyagi e Villani (2004, p.55) “a robótica é por si só um tema de pesquisa extremamente abrangente, envolvendo, entre outras coisas, questões relacionadas à instrumentação e ao projeto de sistemas de controle e supervisão. ”  Assim, a robótica se preocupa com a elaboração de tais dispositivos, e valendo-se de sua característica multidisciplinar, busca o desenvolvimento e a i ntegração de técnicas e algoritmos para a criação de estruturas motorizadas cada vez mais evoluídas; é relativamente nova e foi criada para proporcionar soluções adequadas a algumas dualidades técnicas, onde a atuação humana é difícil, imprecisa, demorada ou até mesmo impossível (ESTREMOTE, 2006).

 A base da robótica consiste na junção dos conceitos científicos de mecânica, eletrônica e programação, onde a grande necessidade por inovações técnicas no mundo moderno impulsiona de forma rápida o avanço tecnológico nesta área. Hoje se encontram disponíveis no mercado muitos modelos de computadores e dispositivos específicos para a robótica, com motores, servomotores, sensores, ligas metálicas especiais, placas de circuito de código aberto para programações diversas, etc. Estes materiais são utilizados para benefícios variados em diferentes áreas de atuação humana (SHHEIBIA, 2001).

 As características de um sistema robótico variam significativamente de acordo com sua aplicação. Todavia, em geral, a robótica pode ser dividida em duas zonas: robótica industrial e de serviços (YUSOFF; SAMIN; IBRAHIM, 2012).

 A Federação Internacional de Robótica (International Federation of Robotics) define um robô de serviço como um robô que opera semiautônoma ou totalmente autônoma para realizar serviços úteis ao bem-estar de seres humanos, excetuando-se as operações de produção (fábricas e indústrias). Estes robôs móveis são atualmente utilizados em muitos campos de aplicação, incluindo escritórios, tarefas militares, supermercados, galpões, operações hospitalares, ambientes perigosos e agricultura (YUSOFF; SAMIN; IBRAHIM, 2012).

Dentre as principais subdivisões acima dispostas, podemos destacar a aplicação da robótica no âmbito militar (segurança) e na área médica. A partir da extração destas duas vertentes, com maior foco para a área médica, torna-se possível a definição do que vem a ser a robótica mímica.

Na área médica, robôs cirúrgicos formados por um, dois ou mais braços robóticos capazes de imitar movimentos aplicados a um controlador por um médi co já são realidade. Neste tipo de procedimento, o médico cirurgião manipula de maneira remota ou não um robô que realiza os procedimentos cirúrgicos no paciente através de um console. Este procedimento é chamado de telesurgery  ou remote surgery  (em português, telecirurgia e cirurgia remota, respectivamente). A definição de cirurgia remota é a capacidade de realização de procedimentos cirúrgicos mesmo que médico e paciente não estejam fisicamente no mesmo local: um robô cirúrgico operado pelo cirurgião é controlado a distância através de um dispositivo de comando (console), bem como um sistema sensorial de feedback 1_.

Um dos dispositivos mais modernos para este fim é o da Vinci® Surgical System  (em português, Sistema Cirúrgico da Vinci ®), sendo que a pesquisa que culminou com o seu desenvolvimento data do final de 1980 pelo instituto norte-americano SRI  (do inglês Stanford Research Institute).

 A imagem mostrada na figura 1.1 apresenta o sistema cirúrgico citado. É possível verificar que o médico cirurgião está deslocado do local da cirurgia em si.

1 _{Informação que o emissor obtém da reação do receptor à sua mensagem, servindo para avaliar e}

 A figura 1.2 mostra a maneira que o operador manipula o console, que é composto por mecanismos que fornecem dados de entrada para os braços robóticos cirúrgicos, ou seja, as mãos do médico cirurgião controlam mecanismos articulados que serão replicados pelos braços robóticos do sistema.

Figura 1.1 – Sistema robótico da Vinci® Surgical System

Fonte: Página oficial na internet da Empresa Intuitive Surgical ®2_.

Figura 1.2 – Detalhe do console do da Vinci® Surgical System

Fonte: Página oficial na internet da Cardiothoracic Surgery (Keck School of Medicine -University of Southern California)3_.

2 _{Empresa produtora do Sistema Cirúrgico da Vinci®. Disponível em:}

<http://intuitivesurgical.com/company/media/images/davinci_s_images.html>. Acesso em: 15 set. 2015.

3 _{Site Cirurgia Cardiotorácica, Escola de Medicina Keck – Universidade do Sul da Califórnia. Disponível}

Outra aplicação da robótica se dá no uso de robôs desenvolvidos para manuseio e desarme de artefatos suspeitos ou explosivos, conforme pode ser visualizado nas figuras 1.3 e 1.4.

Figura 1.3 – Robô militar Dragon Runner ®

Fonte: Site oficial da QinetiQ North America4_.

Figura 1.4 – Robô militar TALON ®

Fonte: Site oficial da QinetiQ North America5_.

Todavia, veículos equipados com braços robóticos e robôs militares são, em sua maioria, dotados de sistemas de controle que operam através de  joystick  do tipo clássico ou similares (semelhante aos controles analógicos disponíveis para consoles de videogames).

4  _{Empresa fabricante do produto. Disponível em:}

<https://www.qinetiq-na.com/products/unmanned-systems/dragon-runner/>. Acesso em: 02 set. 2015.

5  _{Empresa fabricante do produto. Disponível em:}

Um

Um joystick  joystick  trata-se de um periféri trata-se de um periférico de computador comco de computador composto por uma hasteposto por uma haste geralmente vertical fixa a

geralmente vertical fixa a uma base. Esta haste, quando uma base. Esta haste, quando movimmovimentada pelo operador,entada pelo operador, transmite ângulos que podem variar em duas ou três dimensões, sendo que estes transmite ângulos que podem variar em duas ou três dimensões, sendo que estes ângulos funcionam como valores de entrada para diversos tipos de mecanismos ângulos funcionam como valores de entrada para diversos tipos de mecanismos eletromecânicos ou sistemas computacionais.

eletromecânicos ou sistemas computacionais.  A figura 1.5 mostra o

 A figura 1.5 mostra o TRC TRC  ( (Tactical Robot Controller Tactical Robot Controller ),), joystick  joystick  produzido pela produzido pela Empresa

Empresa QinetiQ North AmericaQinetiQ North America  e que pode ser utilizado para o controle tanto do  e que pode ser utilizado para o controle tanto do Dragon Runner 

Dragon Runner ® quanto do® quanto do TALON TALON ®.®.

Contudo, a abordagem proposta neste trabalho procura introduzir uma nova Contudo, a abordagem proposta neste trabalho procura introduzir uma nova maneira de se controlar tais robôs. Esta nova abordagem trata-se justamente da maneira de se controlar tais robôs. Esta nova abordagem trata-se justamente da robótica mímica, onde um dispositivo eletromecânico é capaz de imitar com fidelidade robótica mímica, onde um dispositivo eletromecânico é capaz de imitar com fidelidade os movimentos introduzidos por um mecanismo de controle semelhante ao primeiro. os movimentos introduzidos por um mecanismo de controle semelhante ao primeiro.

Figura 1.5

Figura 1.5 – – Tactical Robot Controller Tactical Robot Controller  - - TRC TRC 

Fonte: Página oficial na internet da

Fonte: Página oficial na internet da lojaloja Gryphon Engineering ServicesGryphon Engineering Services66_..

Desta maneira, pela capacidade de imitar movimentos, a robótica mimica Desta maneira, pela capacidade de imitar movimentos, a robótica mimica pode se constituir como importante ferramenta para a obtenção de êxito no manuseio pode se constituir como importante ferramenta para a obtenção de êxito no manuseio de materiais sensíveis ou perigosos, geralmente envolvidos em situações delicadas, de materiais sensíveis ou perigosos, geralmente envolvidos em situações delicadas, como é o caso de cirurgias médicas, assim como em ocasiões de elevado stress, como é o caso de cirurgias médicas, assim como em ocasiões de elevado stress, como em operações militares de desarme de explosivos. Em ações deste tipo, o como em operações militares de desarme de explosivos. Em ações deste tipo, o

66_{DisponíDisponível vel em: em: <http://gryphe<http://grypheng.com/shong.com/shop/supplier/qinp/supplier/qinetiq-na-unetiq-na-unmanned-smanned-systems/universal-tacystems/universal-tactical-}

tical-robotic-controller>. Acesso em: 15 set. 2015. robotic-controller>. Acesso em: 15 set. 2015.

mínimo de erro e manejo inadequado das variáveis envolvidas podem ocasionar mínimo de erro e manejo inadequado das variáveis envolvidas podem ocasionar situações de perigo e risco de

situações de perigo e risco de vida aos envolvidos.vida aos envolvidos.

Como exemplo da aplicação da ideia de replicar movimentos, Como exemplo da aplicação da ideia de replicar movimentos, Serrano et al., (2010), no artigo científico intitulado

Serrano et al., (2010), no artigo científico intitulado  Anti-Bomb  Anti-Bomb Remote Remote ControlledControlled Inspection Robot 

Inspection Robot  apresentam o desenvolvimento de um sistema robótico  apresentam o desenvolvimento de um sistema robótico que reproduzque reproduz movimentos aplicados pelo braço humano. Trata-se de um robô manipulador de movimentos aplicados pelo braço humano. Trata-se de um robô manipulador de mineração remotamente controlado, dotado de câmeras de vídeo e sensores de mineração remotamente controlado, dotado de câmeras de vídeo e sensores de posicionamento localizados no braço do operador. Com este siste

posicionamento localizados no braço do operador. Com este siste ma, é possível criarma, é possível criar uma sensação de realidade virtual, permitindo a operação fácil e prática para os uma sensação de realidade virtual, permitindo a operação fácil e prática para os usuários no manuseio de explosivos, operações de salvamento ou outras tarefas usuários no manuseio de explosivos, operações de salvamento ou outras tarefas perigosas.

perigosas.  A

 A figura figura 1.6 1.6 mostra mostra a a correlação correlação entre entre o o braço braço humano e humano e os os elos elos do do braçobraço robótico: as peças A e B do braço robótico estão alinhadas respectivamente com o robótico: as peças A e B do braço robótico estão alinhadas respectivamente com o antebraço e braço do homem.

antebraço e braço do homem.

Figura 1.6

Figura 1.6 – – Correlação entre braços humano e robótico proposto por Serrano et al.  Correlação entre braços humano e robótico proposto por Serrano et al. (2010)(2010)

Fonte: Serrano et al. (2010). Fonte: Serrano et al. (2010).

1.3 APRESENTAÇÃO DO T

1.3 APRESENTAÇÃO DO TRABALHORABALHO

Vislumbrando todos os aspectos até então a

Vislumbrando todos os aspectos até então apresentados, o presente trabalhopresentados, o presente trabalho tem por finalidade o estudo e construção de um braço robótico

tem por finalidade o estudo e construção de um braço robótico mímico de quatro grausmímico de quatro graus de liberdade que imita os

de liberdade que imita os movimenmovimentos realizados por outro brtos realizados por outro braço articulado. Na etapaaço articulado. Na etapa de análise do braço será desenvolvida a modelagem cinemática direta utilizando o de análise do braço será desenvolvida a modelagem cinemática direta utilizando o

método de Denavit-Hartenberg, sistemática que visa apontar a posição e orientação método de Denavit-Hartenberg, sistemática que visa apontar a posição e orientação do último sistema de coordenadas do braço com relação ao sistema de coordenadas do último sistema de coordenadas do braço com relação ao sistema de coordenadas fixo à sua base pela inserção dos ângulos das quatro juntas.

fixo à sua base pela inserção dos ângulos das quatro juntas.

O termo mímico citado anteriormente sugere que tal dispositivo, a partir de O termo mímico citado anteriormente sugere que tal dispositivo, a partir de agora chamado braço atuador replicará exatamente os mesmos movimentos agora chamado braço atuador replicará exatamente os mesmos movimentos aplicados a outro braço articulado por um operador

aplicados a outro braço articulado por um operador humano. Este segundo braço seráhumano. Este segundo braço será chamado de controlador.

chamado de controlador.  As

 As estruturas estruturas físicas físicas do do braço braço robótico robótico atuador atuador e e do do braço braço articuladoarticulado controlador foram construídas em material acrílico e em

controlador foram construídas em material acrílico e em MDF MDF 77_{, respectivamente. A, respectivamente. A}

escolha de tais materiais se deve à praticidade e ao relativo baixo custo que ambos escolha de tais materiais se deve à praticidade e ao relativo baixo custo que ambos oferecem quando comparados a chapas m

oferecem quando comparados a chapas metálicas, alumínio, etc. etálicas, alumínio, etc. O projeto estruturalO projeto estrutural do braço robótico foi elaborado no

do braço robótico foi elaborado no softwaresoftware AutoCAD® 2013 e em seguida  AutoCAD® 2013 e em seguida recortadorecortado a laser em impressora especial, permitindo, assim, elevado grau de precisão.

a laser em impressora especial, permitindo, assim, elevado grau de precisão.

O braço atuador será dotado de servomotores em suas juntas para a O braço atuador será dotado de servomotores em suas juntas para a realização dos movimentos. Por sua vez, o controlador será equipado com um realização dos movimentos. Por sua vez, o controlador será equipado com um potenciômetro e com um dispositivo

MPU-potenciômetro e com um dispositivo MPU-6050™, sensor6050™, sensor que combina em um únicoque combina em um único chip três giroscópios, correspondentes aos eixos X, Y e Z,

chip três giroscópios, correspondentes aos eixos X, Y e Z, e mais três acelerômetrose mais três acelerômetros relativos aos três eixos citados.

relativos aos três eixos citados.  As inst

 As instruções quruções que de definirão os efinirão os movimenmovimentos dos tos dos servos servos do bdo braço raço atuador atuador serãoserão realizadas por meio da placa

realizadas por meio da placa open sourceopen source88  _{Arduino™  Arduino™ Uno Uno equipada equipada comcom}

controladores Atmel® AVR® a

controladores Atmel® AVR® a partir dos movimentos do braço controlador. A escolhapartir dos movimentos do braço controlador. A escolha de tal

de tal placa se deve a sua versatilidade e placa se deve a sua versatilidade e aplicabilidade variada, uma vez que se trataaplicabilidade variada, uma vez que se trata de uma plataforma de

de uma plataforma de desenvodesenvolvimento embarcada que pode interagir com o ambientelvimento embarcada que pode interagir com o ambiente por meio de

por meio de hardwarehardware e e softwaresoftware. O braço atuador será, então, . O braço atuador será, então, controlado através dacontrolado através da geração de modulação por largura de pulso,

geração de modulação por largura de pulso, PWM PWM  ((Pulse Width ModulationPulse Width Modulation)) proveniente de saídas digitais da placa Arduino™ Uno.

proveniente de saídas digitais da placa Arduino™ Uno.

77 _{Do inglês Do inglês Medium-Density Fiberboard,Medium-Density Fiberboard, é um material fabricado através da aglutinação de fibras de é um material fabricado através da aglutinação de fibras de}

madeira com resinas sintéticas e outros aditivos. Tal expressão pode ser traduzida para o português madeira com resinas sintéticas e outros aditivos. Tal expressão pode ser traduzida para o português como

como placa de ma placa de madeira de deira de média denmédia densidadesidade e é bastante utilizada na indústria moveleira. e é bastante utilizada na indústria moveleira.

88  _{A expressão em inglês  A expressão em inglês open sourceopen source pode ser traduzida para o português comopode ser traduzida para o português como código abertocódigo aberto. . AA}

iniciativa pelo código aberto surgiu em 1998, tendo como objetivos principais o de apoiar e promover a iniciativa pelo código aberto surgiu em 1998, tendo como objetivos principais o de apoiar e promover a criação de

1.4 OBJETIVO GERAL

Desenvolvimento e operação de um braço robótico mímico de quatro graus de liberdade de baixo custo9_.

1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Realizar estudo e pesquisa sobre os braços robóticos contemplando suas

aplicações e particularidades;

 Realizar a modelagem cinemática direta do braço robótico pelo uso da

sistemática de Denavit-Hartenberg considerando os quatro graus liberdade;

 Simular em ambiente computacional Simulink® Matlab® o modelo matemático

do braço atuador para comprovação da cinemática direta executada;

 Simular em ambiente Simulink® Matlab® movimentos predefinidos do braço

robótico atuador considerando características das quatro juntas;

 Implementar em bancada experimental um exemplar do braço robótico

controlador e do braço robótico atuador modelado e simulado;

 Realizar testes de operação do braço produzido no intuito de verificar sua

funcionalidade.

1.6 JUSTIFICATIVA

É notório o crescimento de dispositivos controlados usados nas mais diversas formas e características, abrangendo inúmeras áreas de conhecimento. Tais dispositivos, hoje em dia, se estendem a sistemas autocontrolados, robôs, veículos terrestres não tripulados, sondas, veículos aéreos não tripulados, braços robóticos, veículos controlados à distância, entre outros (ROCHA, 2001).

 A importância que estes dispositivos possuem frente aos desafios que o homem moderno se depara dia após dia é evidente, sejam estes desafios de caráter científico, como em casos de exploração a locais inóspitos, bem como nas áreas industriais, na medicina, em ações militares, na segurança pública, etc. (MODESTO; SAMPAIO, 2010).

Este trabalho de conclusão de curso se justifica pela necessidade de se desenvolver dispositivos controlados para a execução de tarefas específicas presentes em diversas áreas do conhecimento humano. O enfoque para a elaboração experimental de um sistema de braço robotizado destinado a reproduzir com fidelidade os movimentos controlados pelo operador se justifica pela necessidade de se traçar trajetórias peculiares sensíveis a fim de manipular algum objeto ou estrutura em um ambiente diferente ao do operador.

No caso da manipulação de materiais delicados, artefatos nocivos ou explosivos e que representam riscos à integridade física dos seus envolvidos faz-se necessário o controle adequado dos movimentos do mecanismo, o que pode ser conseguido pelo uso de um controlador semelhante ao próprio braço robótico.

O uso de placas da família Arduino™ para a implementação física do braço se justifica pela praticidade e versatilidade que estes dispositivos oferecem, já que um único item dispõe de periféricos como conversor analógico-digital, entradas e saídas digitais, controladores de tensão, interface prática com computadores via conexão USB, dentre outras. A escolha pelo uso de servomotores é explicada devido a praticidade propiciada por estes e a fácil comunicação com o Arduino™. O sensor MPU-6050™ (giroscópio de três eixos mais acelerômetro de três eixos) se encaixa bem para projetos deste tipo, pois facilita a destreza de movimentos oferecidos pelo operador humano, e também devido a sua simplicidade para implementação, já que dispõe de arquitetura reduzida do tipo MEMS – MicroElectroMechanical Systems (sistemas micro-elétrico-mecânicos).

1.7 MOTIVAÇÃO

No campo da segurança e defesa, as ameaças advindas de materiais potencialmente danosos à saúde vêm influenciando instituições do ramo como polícias, grupos táticos policiais, forças armadas, etc. a adotarem instrumentos remotamente controlados para a inspeção de tais artefatos. Sob este aspecto, robôs e veículos especiais equipados com garras cada vez mais vêm sendo utili zados para desempenhar funções antes realizadas por um ou mais homens.

Os principais motivos que conduziram à escolha do tema deste trabalho foram: a experiência adquirida na implementação e controle deste tipo de sistema em

disciplinas já cursadas, tal como o desafio de se produzir um sistema baseado em um braço robótico de baixo custo como alternativa a ser aplicada na área de segurança pública para inspeção de objetos nocivos, suspeitos e de alto risco.

CA PÍTULO 2

 MAR CO TE ÓRICO

Segundo Carrara (2008), a robótica abrange algumas áreas da ciência como mecânica, eletrônica, computação e, participando em menor grau, teorias de controle, microeletrônica, inteligência artificial, fatores humanos e teoria de produção, possuindo, assim, um caráter multidisciplinar.

Neste capítulo serão analisadas as características dos robôs como um todo, avaliando algumas definições essenciais, situações de aplicação de um determinado braço robótico, tipos de garras, estruturas, juntas e classificações pertinentes ao embasamento teórico necessário para o devido entendimento desta produção acadêmica. Serão também estudados os fundamentos teóricos dos elementos que definem características físicas do braço, bem como seu desempenho cinemático.

2.1 CONCEITOS BÁSICOS DE UM ROBÔ

De acordo com Rosário (2005), um robô consiste de um braço mecânico motorizado programável que apresenta algumas características antropomórficas e um computador para controlar seus movimentos.

O braço mecânico é um manipulador projetado para realizar diferentes tarefas, e, dependendo da aplicação, repeti -las. Para executar tais tarefas, o robô move partes, objetos, ferramentas e dispositivos especiais (MAGRIL, 2010).

O braço consiste de elementos denominados elos unidos por juntas de movimento relativo, onde são acoplados os acionadores para realizarem estes movimentos individualmente, dotados de capacidade sensorial e instruídos por um sistema de controle (ROSÁRIO, 2005).

 A figura 2.1 ilustra características antropomórficas de um braço robótico quando em comparação com o braço humano. A figura 2.2 ilustra a disposição de  juntas e elos (ou links10_{) de um braço robótico simples de três graus de liberdade.}

10 _{Termo em inglês que significa elo ou conexão, e para não divergir das explicações dadas por}

Figura 2.1 – Braço robótico comparado ao braço humano

Fonte: Rosário (2005).

Figura 2.2 – Esquema de notação de elos e juntas em um braço robótico ilustrativo

Fonte: Carrara (2008).

2.1.1 GRAUS DE LIBERDADE

Os graus de liberdade (GL) determinam os movimentos do braço robótico no espaço bidimensional ou tridimensional. Cada junta define um ou dois graus de liberdade. Assim, o número de graus de liberdade do robô é igual à somatória dos graus de liberdade das juntas (CARRARA, 2008).

 A título de exemplificação, quando o movimento relativo ocorre em um único eixo, a junta tem um grau de liberdade (1 GL). Caso o movimento se dê em mais de um eixo, a junta tem dois graus de liberdade (2 GL), conforme pode se ver na figura 2.3.

Observa-se que, quanto maior a quantidade de graus de liberdade, mais complicada é a cinemática, a dinâmica e o controle do manipulador. O número de

graus de liberdade de um manipulador está associado ao número de variáveis posicionais independentes que permitem definir a posição de todas as partes de forma unívoca (CARRARA, 2008).

Figura 2.3 – Esquema representativo de braços articulados com 1 GL e 2 GL

Fonte: Carrara (2008).

2.1.2 JUNTAS ROBÓTICAS

O braço manipulador de um robô é capaz de se movimentar em várias direções devido à existência de juntas, que são rotineiramente de nominadas eixos. O movimento proporcionado por cada junta pode ser linear ou rotativa.

Conforme Craig (2006), um manipulador pode ser considerado como um conjunto de corpos ligados em cadeia por meio de articulações. Estes corpos são chamados de elos ou segmentos.

Segundo Carrara (2008), as juntas podem ser do tipo rotativa ou de revolução, prismática ou linear, cilíndrica, esférica, parafuso e planar, como mostradas na figura 2.4. Suas funcionalidades podem ser listadas conforme abaixo:

 Rotativa ou de Revolução: Gira em torno de uma linha imaginária estacionária

chamada de eixo de rotação;

 Cilíndrica: É composta por duas juntas, uma rotativa e uma prismática;

 Prismática ou Linear : Se move em linha reta e é composta de duas hastes

que deslizam entre si;

 Esférica: Funciona com a combinação de três juntas de rotação que permite

 Parafuso: É constituída de um parafuso que contém uma porca que gira,

executando movimento semelhante ao da junta prismática (movimento de parafuso);

 Planar : É composta por duas juntas prismáticas, realizando movimentos em

duas direções.

Figura 2.4 – Tipos de vínculos ou juntas empregadas em robôs

Fonte: Carrara (2008).

 A maioria dos robôs utiliza, em geral, juntas rotativas e prismáticas. A junta planar pode ser considerada como a junção de duas juntas prismáticas, e, portanto, é também utilizada (CARRARA, 2008).

De acordo com Carrara (2008), as juntas rotativas podem ainda ser classificadas de acordo com as direções dos elos de entrada e de saída em relação ao eixo de rotação (figura 2.5), conforme lista abaixo:

 Rotativa de Torção ou Torcional (T): Os elos de entrada e de saída têm a

mesma direção do eixo de rotação da junta;

 Rotativa Rotacional (R): Os elos de entrada e de saída são perpendiculares

ao eixo de rotação da junta;

 Rotativa Revolvente (V): O elo de entrada possui a mesma direção do eixo de

rotação, mas o elo de saída é perpendicular a este.

 A figura 2.5, além de demonstrar esta classificação, também ilustra, a título de comparação, uma junta do tipo prismática.

Figura 2.5 – Representação esquemática das juntas

Fonte: Carrara (2008).

2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS ROBÔS

Segundo Rosário (2005), podemos classificar as máquinas robóticas de acordo com o número de juntas, o tipo de controle empregado, o método de acionamento e a geometria. É possível também classificar os dispositivos robóticos em relação ao espaço de trabalho ( workspace), ao grau de rigidez, à extensão de controle sobre o curso de movimento e de acordo com as aplicações adequadas (ROSÁRIO, 2005).

Entretanto, visando a simplificação e o melhor entendimento sobre o assunto, é usual classificar os robôs conforme dois métodos: um que considera os seus atributos físicos ou geométricos (configuração cinemática) e outro que se refere ao modo no qual estes são controlados (FERREIRA, 2012).

2.2.1 CONFIGURAÇÃO CINEMÁTICA

Existem cinco classes principais de manipuladores segundo os tipos de  juntas, o que permite diferentes possibilidades de posicionamento no volume de trabalho (ROSÁRIO, 2005). Os cinco grupos principais de um robô podem ser listados da seguinte maneira:

  Cartesiano;   Cilíndrico;

 Articulado ou Antropomórfico;  Esférico ou Polar;

 SCARA.

Cada uma dessas classes é descrita de acordo com os primeiros três graus de liberdade, podendo ser descritos em suas próprias coordenadas, que podem ser mapeadas para o sistema de coordenadas cartesiano. O código usado para essa classificação consiste numa sequência de três letras, que representam os tipos de  juntas na ordem em que ocorrem, começando da junta mais à extremidade do braço

(ROSÁRIO, 2005).

Conforme Santos (2014), a seguir será mostrada a caracterização cinemática destas configurações de robôs:

2.2.1.1 Robô de Coordenadas Cartesianas

Um robô de coordenadas cartesianas (figura 2.6) pode se movimentar em linha reta, em deslocamentos horizontais e em deslocamentos verticais. As coordenadas cartesianas especificam um ponto no espaço em função de suas coordenadas X, Y e Z. Os robôs cartesianos geralmente apresentam três articulações deslizantes, sendo codificados como PPP (Prismática-Prismática-Prismática) (ROSÁRIO, 2005).

Este tipo de robô caracteriza-se pela pequena área de trabalho, operando com elevado grau de rigidez mecânica e é capaz de grande exatidão na localização do atuador. Seu controle é simples devido ao movimento linear e alcança qualquer ponto de um cubo formado pelos seus eixos.

Segundo Craig (2006), esta configuração produz robôs com estruturas muito rígidas. Como consequência podem construir-se robôs bastante grandes.

Os robôs cartesianos são também caracterizados pela carga inercial (momento) fixa ao longo da área de trabalho e pela conveniência em tarefas que necessitam de grande precisão e sem uma grande necessidade de movimentos.

 A figura 2.7 demonstra o volume de trabalho alcançado pelo uso deste tipo de robô.

Figura 2.6 – Representação tridimensional de um robô cartesiano PPP (3GL)

Fonte: Moura (2004).

Figura 2.7 – Volume de trabalho de um robô cartesiano de três graus de liberdade

Fonte: Desai (2012).

2.2.1.2 Robô de Coordenadas Cilíndricas

Este tipo de máquina robótica combina movimentos lineares com movimentos rotativos, descrevendo uma área de movimentação final em torno de um envelope cilíndrico. Os graus de liberdade do robô de coordenadas cilíndricas são codificados como RPP (Revolução-Prismática-Prismática). Conforme pode ser observado na figura 2.8, este robô consiste de uma junta de revolução e duas juntas prismáticas (ROSÁRIO, 2005).

O volume de trabalho desta classe de robôs é maior quando em comparação com robôs do tipo cartesianos, porém demandam controle mais sofisticado que os

anteriores justamente pela existência de vários momentos de inércia para diferentes pontos no volume de trabalho e pela rotação da articulação da base, conforme figura 2.9 (CARRARA, 2008).

Em função do arranjo mecânico, geralmente robôs de configuração cilíndrica podem realizar dois movimentos lineares e um rotativo. Desta forma, os movimentos lineares são realizados nos eixos X e Y e o movimento de rotação é feito em torno do eixo Z (DESAI, 2012).

Figura 2.8 – Representação tridimensional de um robô de coordenadas cilíndricas RPP

(3 GL)

Fonte: Moura (2004).

Figura 2.9 – Volume de trabalho de um robô de coordenadas cilíndricas de três graus de

liberdade

2.2.1.3 Robô Articulado (Coordenadas de Revolução ou Rotativas) 2.2.1.3 Robô Articulado (Coordenadas de Revolução ou Rotativas)

O robô articulado possui juntas que se movem de maneira similar aos O robô articulado possui juntas que se movem de maneira similar aos movimentos de um braço humano. Basicamente é formado por dois elos retos, em movimentos de um braço humano. Basicamente é formado por dois elos retos, em analogia ao antebraço e braço humano, ambos montados numa base vertical. Tais analogia ao antebraço e braço humano, ambos montados numa base vertical. Tais componentes são conectados por juntas rotativas correspondendo ao ombro e ao componentes são conectados por juntas rotativas correspondendo ao ombro e ao cotovelo. Um punho pode ser unido à extremidade do antebraço, o que propicia cotovelo. Um punho pode ser unido à extremidade do antebraço, o que propicia ligações a mais para aplicações distintas (

ligações a mais para aplicações distintas (SHHEIBIA, 2001).SHHEIBIA, 2001).

Chamados de robôs articulados, são também denominados de manipuladores Chamados de robôs articulados, são também denominados de manipuladores antropomórficos (SANTOS, 2014), caracterizando-se por possuir geralmente três antropomórficos (SANTOS, 2014), caracterizando-se por possuir geralmente três  juntas

 juntas de de revolução revolução e e codificados codificados como como RRR RRR (Revolução-Revolução-Rev(Revolução-Revolução-Revolução)olução) (ROSÁRIO, 2005).

(ROSÁRIO, 2005).

Segundo (CRAIG, 2006), esta classe de máquinas apresenta ainda a Segundo (CRAIG, 2006), esta classe de máquinas apresenta ainda a característica de minimizar a interferência da própria estrutura do manipulador no característica de minimizar a interferência da própria estrutura do manipulador no espaço de trabalho, tornando-se capaz de

espaço de trabalho, tornando-se capaz de chegar a locais confinados.chegar a locais confinados.  A figura 2.10 m

 A figura 2.10 mostra uma representação ostra uma representação de um de um robô articulado e o volumrobô articulado e o volume dee de trabalho deste tipo de robô pode ser mostrado na figura 2.11.

trabalho deste tipo de robô pode ser mostrado na figura 2.11. Do ponto de vista de Rosário (2005, p. 159):

Do ponto de vista de Rosário (2005, p. 159):

Sua área de atuação é maior que a de qualquer tipo de robô, contudo Sua área de atuação é maior que a de qualquer tipo de robô, contudo apresentam baixa rigidez mecânica. Seu controle é

apresentam baixa rigidez mecânica. Seu controle é complicadcomplicado e o e difícildifícil em razão das três juntas de revolução e das variações no momento em razão das três juntas de revolução e das variações no momento de carga e no de inércia.

de carga e no de inércia. Figura 2.10

Figura 2.10 – – Representação tridimensional de um robô articulado RRR (3 GL) Representação tridimensional de um robô articulado RRR (3 GL)

Fonte:

Figura 2.11

Figura 2.11 – – Áreas de  Áreas de trabalho de um robô articulado RRR de três graus de trabalho de um robô articulado RRR de três graus de liberdadeliberdade

Fonte: Craig (2006). Fonte: Craig (2006).

2.2.1.4 Robô de

2.2.1.4 Robô de Coordenadas EsféricasCoordenadas Esféricas

Para Rosário (2005), um robô de coordenadas esféricas possui dois Para Rosário (2005), um robô de coordenadas esféricas possui dois movimentos rotativos, na cintura e no ombro, e u

movimentos rotativos, na cintura e no ombro, e um terceiro, que é linear, descrevendo,m terceiro, que é linear, descrevendo, assim, um envelope esférico. Sua

assim, um envelope esférico. Sua configuraçãconfiguração é do o é do tipo RRP (Revolução-Revolução-tipo RRP (Revolução-Revolução-Prismático), ou seja, duas juntas rotativas e uma prismática. Este tipo de robôs Prismático), ou seja, duas juntas rotativas e uma prismática. Este tipo de robôs também é chamado de robô polar (WANG, 2009).

também é chamado de robô polar (WANG, 2009).  A configuração esférica deste dispositivo ap

 A configuração esférica deste dispositivo apresenta muita similaridade com aresenta muita similaridade com a configuração dos manipuladores de revolução, porém a articulação antropomórfica configuração dos manipuladores de revolução, porém a articulação antropomórfica presente nos braços robóticos articulados é aqui substituída por uma articulação presente nos braços robóticos articulados é aqui substituída por uma articulação prismática (CRAIG, 2006).

prismática (CRAIG, 2006).

 A área de operação deste tipo de robô é m

 A área de operação deste tipo de robô é maior que a dos modelos cilíndricosaior que a dos modelos cilíndricos e cartesianos, entretanto apresenta rigidez mecânica menor e controle mais e cartesianos, entretanto apresenta rigidez mecânica menor e controle mais sofisticado em função dos movimentos de rotação de

sofisticado em função dos movimentos de rotação de suas juntas (ROSÁRIO, 2005).suas juntas (ROSÁRIO, 2005). Na figura 2.12 pode-se verificar uma representação tridimensional de um robô Na figura 2.12 pode-se verificar uma representação tridimensional de um robô esférico, enquanto a figura 2.13 exemplifica o volume de trabalho conseguido por um esférico, enquanto a figura 2.13 exemplifica o volume de trabalho conseguido por um robô deste tipo.

Figura 2.12

Figura 2.12 – – Representação tridimensional de um robô de coordenadas esféricas RRP Representação tridimensional de um robô de coordenadas esféricas RRP

(3 GL) (3 GL)

Fonte: Moura (2004). Fonte: Moura (2004). Figura 2.13

Figura 2.13 – – Volume de trabalho de um  Volume de trabalho de um robô de coordenadas esféricrobô de coordenadas esféricas de 3 as de 3 graus degraus de

liberdade liberdade

Fonte: Desai (2012). Fonte: Desai (2012).

2.2.1.5 Robô

2.2.1.5 Robô SCARASCARA

O termo

O termo SCARASCARA  advém da expressão em inglês  advém da expressão em inglês Selective ComplianceSelective Compliance  Assembly Robot

 Assembly Robot ArmArm, que significa braço robótico de montagem com complacência, que significa braço robótico de montagem com complacência seletiva ou simplesmente braço de robô com montagem seletiva obediente seletiva ou simplesmente braço de robô com montagem seletiva obediente (CRAIG, 2006). Conforme pode ser visto na figura 2.14, um robô deste tipo

(CRAIG, 2006). Conforme pode ser visto na figura 2.14, um robô deste tipo possui trêspossui três articulações de revolução paralelas que lhe permite mover-se e orientar-se em um articulações de revolução paralelas que lhe permite mover-se e orientar-se em um plano, e uma quarta articulação pri

ortogonal ao plano formado pelos dois primeiros vínculos (CRAIG, 2006). A figura 2.15 demonstra o volume de trabalho de um robô SCARA.

Por possuir duas juntas de revolução e uma prismática, a codificação deste tipo de mecanismo é RRP (Revolução-Revolução-Prismática). Rosário (2005) menciona que, muito embora na configuração SCARA sejam encontrados tipos de  juntas idênticos ao de uma configuração esférica, os robôs do tipo SCARA se

diferenciam dos esféricos tanto na aparência quanto na aplicação.

Como atrativos, Craig (2006) menciona que a principal vantagem deste manipulador é que as três primeiras articulações não tem que suportar o peso do manipulador ou da carga. Já para Carrara (2008), a área de trabalho desses robôs é menor do que a de robôs esféricos e maior que cartesianos e cilíndricos.

Figura 2.14 – Representação tridimensional de um robô SCARA (RRP) de 3 GL

Fonte: Moura (2004).

Figura 2.15 – Volume de trabalho de um robô SCARA de 3 graus de liberdade

2.2.2 CONFIGURAÇÃO DOS PUNHOS

Engenheiros e projetistas procuram desenvolver punhos de forma a fazer com que os eixos de rotação das juntas se cruzem num mesmo ponto. A figura 2.16 mostra a configuração de um punho RT (Rotacional-Torcional). Isto permite que o elemento terminal realize um movimento translacional reduzido quando as juntas do punho são acionadas. O punho RT, entretanto, não consegue gerar todas as direções possíveis, posto que executa movimentos apenas nas direções de guinada e rolamento (CARRARA, 2008).

 A figura 2.17 exibe a configuração de um punho TRT (Torcional-Rotacional-Torcional). Semelhante ao punho anteriormente descrito, os eixos de rotação das  juntas de um punho classificado como TRT se cruzam num mesmo ponto, contudo,

por ser dotado de três juntas, consegue orientar-se em todas as direções possíveis.

Figura 2.16 – Configuração de um punho RT na forma compacta

Fonte: Carrara (2008).

Figura 2.17 – Configuração de um punho TRT na forma compacta

Fonte: Carrara (2008).

2.3 CAPACIDADE DE REALIZAÇÃO DE TAREFAS

O movimento das articulações capacita o robô a deslocar o atuador para qualquer ponto na sua área de atuação. A importância do movimento não se restringe

ao alcance da peça, mas também à condução do atuador a uma certa altitude em relação a ele. De acordo com Moraes (2003, p. 80), volume de trabalho “é o espaço dentro do qual o robô pode manipular a extremidade de seu punho ( end effector ou efetuador final).”

Podemos destacar três movimentos peculiares e com nomenclaturas específicas presentes nos dispositivos robotizados (figura 2.18). São eles:

 Roll “R” (rolamento): movimento de rotação no sentido horário e anti-horário

(em torno de um eixo longitudinal);

 Pitch “P” (arfagem): movimento para cima e para baixo (em torno de um eixo

de arfagem);

 Yaw “Y ” (guinada): movimento para a esquerda e para a direita (em torno de

um eixo de guinada).

“Um dos mais importantes métodos inerciais de estabelecimento de uma referência utiliza giroscópios. Trata-se da referência inercial, usada nos sistemas de navegação inercial”(ROSÁRIO, 2005, p. 85).

 Atualmente existem várias outras aplicações para os sensores de orientação além de seu uso na navegação inercial. As bussolas giroscópicas são empregadas em aplicações marítimas e principalmente em orientação de sistemas robóticos moveis. Por sua vez, giroscópios também podem ser utilizados na medição de velocidades angulares e em aplicações militares (artilharia e controle de voo de projeteis e mísseis), tal como na aferição de força e torque (ROSÁRIO, 2005).

Figura 2.18 – Definição dos ângulos de orientação roll, pitch e yaw ( ϕ, θ, Ψ)

2.4 GARRAS E FERRAMENTAS TERMINAIS

Um robô é projetado para atuar de acordo com seu ambiente, e para tal deve ser dotado de um elemento terminal. Como o atuador é o elemento fundamental para a correta execução de uma tarefa, faz-se necessário que tal membro seja adequadamente elaborado e adaptado às condições do seu meio de trabalho (ROSÁRIO, 2005).

O elemento terminal é o responsável por realizar a manipulação de objetos em diferentes tamanhos, formas e materiais, porém esta manipulação depende da aplicação ao qual se destina (CARRARA, 2008).

Podem-se comparar as garras de dispositivos robóticos às mãos humanas, apesar disso elas não são capazes de replicar os movimentos humanos com fidelidade, fato que resulta na limitação desses movimentos a algumas faixas de operação particulares. A enorme demanda por atuadores deste tipo culminou com o desenvolvimento de garras capazes de manusear diferentes tipos de objetos sob diversos tamanhos e aplicações (ROSÁRIO, 2005). Elas podem ser assim classificadas conforme seguem os itens abaixo.

2.4.1 GARRA DE DOIS DEDOS

É o tipo mais comum de garra, apresentando grande variedade de variantes. Basicamente se diferenciam uma das outras pelo tamanho e/ou pelo movimento dos seus dedos, que pode ser de forma paralela ou rotativa (figura 2.19):

Figura 2.19 – Garras de dois dedos (formas de movimentação)

 A principal desvantagem deste tipo de mecanismo se dá pela limitação quanto a abertura dos dedos, o que restringe sua operação a objetos cujo tamanho não ultrapassem a abertura máxima (ROSÁRIO, 2005).

2.4.2 GARRA DE TRÊS DEDOS

É similar a garra de dois dedos citada acima, todavia admite preensão de objetos de forma triangular ou cilíndrica e de objetos de geometria não regular. Os dedos deste tipo de dispositivo podem possuir vários vínculos (ROSÁRIO, 2005). Na figura 2.20 é possível observar um exemplar de garra de três dedos.

Figura 2.20 – Garra de três dedos

Fonte: Rosário (2005).

2.4.3 GARRA PARA PREENSÃO DE OBJETOS CILÍNDRICOS

Este tipo de garra consiste de dois dedos com um, dois, ou vários semicírculos chanfrados, permitindo, assim, a captura de objetos cilíndricos de diâmetros distintos, conforme é possível se observar na figura 2.21. Porém, para Rosário (2005), as principais desvantagens associadas a este tipo de mecanismo é que os movimentos são limitados em função do tamanho da garra e que o seu peso deve ser sustentado pelo braço robótico durante o desempenho de suas funções.