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i SUMÁRIO

1. Introdução02
2. Histórico03
2.1. Introdução03
2.2. Principais Eventos04
3. Classificação Cronológica06
3.1. Introdução06
3.2. Classificação06
3.2.1. Primeira Geração06
3.2.2. Segunda Geração07
3.2.3. Terceira Geração07
4. Critérios de Seleção08
4.1. Introdução08
4.2. O Que Verificar08
4.2.1. Aplicações08
4.2.1.1. Aplicações Industriais09
4.2.1.2. Aplicações de Serviços09
4.2.2. Dimensões das Peças09
4.2.3. Tipo de Movimento10
4.2.4. Tempo de Manuseio10
4.2.5. Layout da Máquina10
4.3. Relação Custo – Benefício1
5. Como Movimentar os Robôs12
5.1. Introdução12
5.2. Atuadores12
5.2.1. Pneumático12
5.2.2. Hidráulico13
5.2.3. Elétrico13
6. Robôs Industriais14
6.1. Introdução14
6.2. Estrutura15
6.3. Tipos de Juntas17
6.4. Graus de Liberdade (GL)18
7. Espaço de Trabalho20
7.1. Introdução20
8. Anatomia do Manipulador2
8.1. Introdução2
8.2. Robôs Cartesianos2
8.2.1. Especificações Técnicas Reais24
8.3. Robôs Cilíndricos24

i 8.3.1. Especificações Técnicas Reais..............................26

8.4. Robôs Polares ou Esféricos26
8.4.1. Especificações Técnicas Reais27
8.5. Robôs SCARA28
8.5.1. Especificações Técnicas Reais29
9. Efetuadores30
9.1. Introdução30
9.2. Características30
9.3. Acionamento30
9.4. Medição31
9.5. Classificação31
9.5.1. Garras31
9.5.1.1. Garras com Dedos31
9.5.1.2. Garras a Vácuo32
9.5.1.3. Garras Magnéticas3
9.5.1.4. Garras Adesivas34
9.5.1.5. Ganchos34
9.5.2. Ferramentas35
10. Sistema de Coordenadas36
10.1. Introdução36
1. Representação Matemática39
1.1. Introdução39
1.2. Representação de Posição39
1.3. Representação de Orientação41
1.4. Representação por Ângulos de Euler45
12. Transformações Homogêneas48
12.1. Aritmética de Transformações50
12.1.1. Transformação Composta50
12.1.2. Transformação Inversa51
13. Cinemática52
13.1. Introdução52
13.2. Cinemática Direta52
13.2.1. Notação Denavit Hartenberg (DH)53
13.2.1.1. Descrição Cinemática de Elo54
13.2.1.2. Descrição Cinemática de Junta5
13.2.1.3. Transformação de Elo5
13.3. Cinemática Inversa58
14. Controle de Movimento61
14.1. Introdução61

iv 14.2. Geração de Trajetória....................................................62

14.2.1. Geração em Espaço de Juntas63
14.2.1.1. Interpolação Linear65
14.2.1.2. Interpolação com Polinômio Cúbico68
15. Programação de Robôs75
15.1. Introdução75
15.2. Funções Básicas de Programação75
15.2.1. Definição de Variáveis75
15.2.2. Definição de Rótulos76
15.2.3. Definição de Contadores76
15.2.4. Manipulação de Contadores76
15.2.5. Definição de Pontos de Parada76
15.2.6. Manipulação de Interfaces7
15.2.7. Tempo de Espera7
15.2.8. Controle de Velocidade7
15.2.9. Controle do Efetuador7
15.2.10. Movimento Absoluto78
15.2.1. Movimento Relativo78
15.2.12. Geração de Trajetória78

v 14.2.1.3. Interpolação Linear com Bordas Parabólicas...69 15.2.13. Comandos Especiais..........................................78 vi RELAÇÃO DE FIGURAS

Fig. 1 – Manipulador industrial16
Fig. 2 – Tipos de juntas17
Fig. 3 – Simbologia das juntas18
Fig. 4 – Ângulos de roll, pitch e yaw19
Fig. 5 – Espaço de trabalho20
Fig. 6 – Modelos de manipuladores21
Fig. 7 – Robô cartesiano23
Fig. 8 – Robô cilíndrico24
Fig. 9 – Robô polar26
Fig. 10 – Robô SCARA28
Fig. 1 – Garra de dedos paralelos com engrenagens32
Fig. 12 – Garra a vácuo com duas ventosas3
Fig. 13 – Garra magnética dom ímã permanente34
Fig. 14 – Ponta de solda por arco35
Fig. 15 – Coordenadas generalizadas37
Fig. 16 – Coordenadas generalizadas ampliadas38
Fig. 17 – Representação gráfica do ponto P39
Fig. 18 – Representação do vetor posição40
Fig. 19 – Representação de um corpo rígido41
Fig. 20 – Rotação em torno do eixo z42

Fig. 21 – Ângulos de Euler ZYX..................................................45

Fig. 2 – Orientação relativa entre dois referenciais47
Fig. 23 – Translação pura48
Fig. 24 – Parâmetros de elo54
Fig. 25 – Parâmetros de junta5
Fig. 26 – Manipulador planar e atribuição de referenciais56
Fig. 27 – Manipulador (a) cilíndrico, (b) RD5 e (c) XYZ58
Fig. 28 – Múltiplas soluções60
Fig. 29 – Malha de controle em espaço de juntas63
Fig. 30 – Malha de controle em espaço cartesiano63
Fig. 31 – Trajetória descrita por um manipulador planar63
Fig. 32 – Manipulador planar com 1 GL64
Fig. 3 – Posição em função do tempo67
Fig. 34 –Velocidade em função do tempo67

vii Fig. 35 – Perfil linear com bordas parabólicas..............................70

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01 - INTRODUÇÃO

No mundo globalizado, a necessidade de se realizar tarefas com eficiência e precisão é cada vez maior. Existem também tarefas a serem realizadas em lugares onde a presença humana se torna difícil, arriscada e até mesmo impossível. Para realizar essas tarefas se faz necessária à presença de dispositivos ou equipamentos, que as faça sem risco de vida. A ROBÓTICA é a área que se preocupa com o desenvolvimento destes dispositivos. Robótica é multidisciplinar e busca o desenvolvimento e a integração de técnicas e algoritmos para a criação de ROBÔS.

A robótica envolve áreas como engenharia mecânica, engenharia elétrica, inteligência artificial, entre outras, com uma perfeita harmonia, que se faz necessária para se projetar essas máquinas.

Não é errado afirmar que todo aquele que trabalha com automação industrial (independente do nível) é, na essência, um INTEGRADOR de tecnologias.

O presente trabalho tem por objetivo abrir as portas da robótica industrial (particularmente manipuladores robóticos) aos alunos do curso de Tecnologia em Automação Industrial do CEFET-RN, aproveitando se caráter multidisciplinar para promover a integração entre as diversas disciplinas do curso através de projetos (desafios) e/ou competições.

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02 - HISTÓRICO

2.1. INTRODUÇÃO

A palavra robô tem origem na palavra tcheca ROBOT-

NIK, que significa servo, o termo robô foi utilizado inicialmente por Karel Capek (teatrólogo tcheco) em 1923.

Não é só o homem moderno que tem o desejo de construir robôs, existem alguns fatos históricos que nos mostram que a idéia não é nova, por exemplo, existem inúmeras referências sobre o "Homem Mecânico" construído por relojoeiros com a finalidade de se exibir em feiras. Há relatos também da realização de várias "Animações Mecânicas" como o leão animado de Leonardo da Vinci, e seus esforços para fazer máquinas que reproduzissem o vôo das aves. Porém estes dispositivos eram muito limitados, pois não podiam realizar mais que uma tarefa, ou um número reduzido delas.

A idéia de se construir robôs começou a tomar força no início do século X com a necessidade de aumentar a produtividade e melhorar a qualidade dos produtos. É nesta época que o robô industrial encontrou suas primeiras aplicações (George Devol – considerado o pai da robótica industrial).

Atualmente, devido aos inúmeros recursos que os sistemas de microcomputadores nos oferece, a robótica atravessa uma época de contínuo crescimento que permitirá, em um curto

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espaço de tempo, o desenvolvimento de robôs inteligentes fazendo assim a ficção do homem antigo se tornar à realidade do homem atual.

2.2. PRINCIPAIS EVENTOS

SÉCULO XVIII ⇒ Bonecos encenavam peças musicais.

⇒ O controle era rudimentar. Feito através de cabos e outros dispositivos mecânicos.

ANO DE 1923 ⇒ Karel Capek – Peça RUR.

ANO DE 1939 ⇒ Isaac Asimov – Eu Robô (livro), postulando as três leis fundamentais da robótica: (1ª) um robô não deve machucar um humano ou, por sua inércia, deixar que este sofra dano; (2ª) um robô deve obedecer às ordens que lhe são dadas por um humano, exceto quando essas ordens contradigam a 1ª lei; (3ª) um robô deve proteger sua própria existência até onde esta não entre em conflito com a 1ª ou 2ª leis.

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ANO DE 1943 ⇒ Colossus – 1º Computador Eletrônico (Inglaterra).

ANO DE 1951 ⇒ 1º Computador em Tempo Real.

ANO DE 1952 ⇒ Construção da 1ª Máquina Operatriz com NC (MIT).

ANO DE 1954 ⇒ 1ª Teoria com Auxílio da Eletrônica.

ANO DE 1958 ⇒ Manipulador Copiador com Câmera na Garra.

A PARTIR DE 1959
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03 – CLASSIFICAÇÃO CRONOLÓGICA

3.1. INTRODUÇÃO

O avanço da tecnologia permitiu o surgimento e desenvolvimento de várias estruturas, necessitando classificá-los de acordo com a época de aparecimento, situando-os tecnologicamente no tempo.

3.2. CLASSIFICAÇÃO

Devido a várias diferenças em função de características e propriedades, existem diversas classes de robôs que se diferenciam em suas aplicações e formas de trabalhar.

3.2.1. PRIMEIRA GERAÇÃO

¾ São dotados apenas de sensores (percebem apenas estados internos do robô).

¾ Requerem um ambiente estruturado (objetos bem posicionados).

¾ Dotados de pequeno poder computacional. Ex: “Braços” para coleta de amostras submarinas.

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3.2.2. SEGUNDA GERAÇÃO

¾ São dotados com sensores internos e externos (percebem os estados do ambiente).

¾ Seus atuadores são pneumáticos, hidráulicos ou elétricos. Ex: Manipuladores.

3.2.3. TERCEIRA GERAÇÃO

¾ Tomam decisões autônomas diante de situações não previstas.

¾ Uso incipiente na indústria.

Ex: Robôs utilizados em missões espaciais (exploradores).

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04 – CRITÉRIOS DE SELEÇÃO

4.1. INTRODUÇÃO

O mercado nacional e internacional está repleto de uma infinidade de modelos de robôs. Para saber qual é o melhor modelo em vista da aplicação, devem-se observar alguns pontos cruciais:

4.2. O QUE VERIFICAR

4.2.1. APLICAÇÕES

Inicialmente, as principais aplicações dos robôs eram do tipo industrial e concentravam-se na realização de tarefas repetitivas, precisas e rápidas. Porém, há alguns anos começaram a serem usados em outros trabalhos, além dos repetitivos, onde não se conhece com precisão o entorno: ROBÔS DE SERVIÇO.

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4.2.1.1. APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

4.2.1.2. APLICAÇÕES DE SERVIÇO

4.2.2. DIMENSÕES DAS PEÇAS

A dimensão e natureza da peça a ser manipulada influenciam diretamente na estrutura do robô. Peças pesadas, por exemplo, podem exigir efetuadores hidráulicos. Por outro lado, peças delicadas necessitam de efetuadores pneumáticos ou até com ventosas.

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4.2.3. TIPO DE MOVIMENTO É determinado pelo campo de atuação do robô.

4.2.4. TEMPO DE MANUSEIO

Influencia diretamente a produção diária, portanto, deve ser cuidadosamente analisado (cumprir a demanda).

4.2.5. LAYOUT DA MÁQUINA

A geometria e o layout das máquinas, produtoras das peças a serem manipuladas, devem ser consideradas na escolha do robô. Muitos layouts requerem versões especiais de robôs ou graus de liberdade adicionais para que a demanda do processo seja atendida.

4.2.6. ACESSIBILIDADE

A principal função de um robô manipulador em um processo produtivo é diminuir os custos da produção através de um melhor aproveitamento da capacidade instalada. Para isso, quanto melhor a acessibilidade à peça, tanto menor o tempo de manobra. Portanto, as geometrias da máquina e a do robô devem ser compatíveis de modo a facilitar as operações de manipulação.

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4.3. RELAÇÃO CUSTO BENEFÍCIO

De posse das informações acima já se pode definir um modelo de robô e conseqüentemente já se ter uma idéia do seu preço.

O próximo passo será definir se o investimento é economicamente viável. O que deve ser feito, então, é uma relação entre custo e benefício.

CUSTO DA IMPLEMENTAÇÃO BENEFÍCIOS Preço do robô.

Preço total dos acessórios. Possíveis modificações nas máquinas que irão operar em conjunto com o robô.

Possíveis alterações no layout da planta fabril.

Equipamentos periféricos. Instalação. Treinamento de pessoal. “Start-up”.

Redução de trabalho. Otimização das máquinas de produção. Flexibilidade. Melhora da qualidade do produto. Diminuição do tempo e passos da produção.

Diminuição dos riscos pessoais em trabalhos perigosos ao homem.

Incremento da produtividade. Diminuição do “refugo”.

PROBLEMA 01: Deseja-se instalar uma célula flexível de manufatura para gravação de CDs. Utilizando os critérios apresentados, escolha o robô que melhor se adapta a tarefa proposta. Justifique sua resposta.

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05 – COMO MOVIMENTAR OS ROBÔS

5.1. INTRODUÇÃO

Os circuitos de potência, comandados pelo controlador, são os responsáveis pelo acionamento, aplicando a energia necessária, nos atuadores, à realização dos movimentos.

5.2. ATUADORES

São os elementos responsáveis pela conversão da energia disponível em energia mecânica para movimentar o robô. Podem ser:

5.2.1. PNEUMÁTICO

Tipo de atuador que utiliza um gás pressurizado para movimentar o robô. Características principais:

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5.2.2. HIDRÁULICO

Faz utilização de um fluido a pressão para realizar os movimentos programados. Características principais:

5.2.3. ELÉTRICO

Utiliza a energia elétrica para executar suas tarefas. Características principais:

PROBLEMA 02: Em relação ao problema 01, qual o tipo de acionamento mais indicado e por quê? Faça uma estimativa das características dos componentes utilizados.

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06 – ROBÔS INDUSTRIAIS

6.1. INTRODUÇÃO

Na indústria moderna e também em laboratórios de ensino e pesquisa, cada vez mais estão sendo utilizados diversos tipos de robôs nos processos de manufatura ou de controle da qualidade.

Mas, o quê se entende exatamente por um ROBÔ? Existem muitas definições diferentes, dependendo do ponto de vista e, em geral, da área na qual se trabalha com os robôs. Uma acepção supostamente "oficial" do termo robô foi estabelecida pelo Instituto Americano de Robótica (RIA):

"Um robô industrial é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou dispositivos específicos em movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas".

Essa definição, do ponto de vista mais amplo do termo robô, corresponde apenas a uma classe específica, precisamente a dos ROBÔS MANIPULADORES.

São exemplos de robôs manipuladores os braços mecânicos, ou qualquer sistema que, em geral, tenha por objetivo deslocar material de um ponto para outro do espaço ou acompanhando uma trajetória dentro de um volume de trabalho.

Da definição dada podem ser extraídas diversas con-

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clusões sobre as características dos robôs manipuladores. Uma delas é que, como qualquer robô, a tarefa a realizar deve estar previamente programada e seu acionamento dependerá desse programa de controle. Essa característica é invariável para todo robô, portanto também para os manipuladores.

Uma outra conclusão é que os manipuladores têm como principal objetivo deslocar materiais, que podem ser peças diversas, ferramentas que irão trabalhar sobre uma peça, ou sistemas de visão que deverão monitorar o andamento de um determinado processo, entre outras possibilidades.

O tipo mais conhecido de robô manipulador é o braço mecânico. Ele consiste numa série de corpos rígidos interligados por juntas que permitem um movimento relativo entre esses corpos, assemelhando-se assim sua forma geral à de um braço humano, às vezes quase com as mesmas possibilidades de movimento.

6.2. ESTRUTURA

Os robôs industriais são projetados com o intuito de realizar um trabalho produtivo. O trabalho é executado quando o robô movimenta sua estrutura a fim de deslocar o objeto a ser manipulado.

A estrutura de um robô manipulador consiste basicamente numa série de corpos rígidos, idealmente sem deforma-

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ção pela ação de forças aplicadas sobre eles e que, em geral, são feitos de um material resistente como aço, que se denominam ELOS (links). Esses elos podem ter diversos tamanhos e formas dependendo da aplicação, estando unidos por JUNTAS (articulações) que lhes permitem ter um movimento relativo entre eles. Assim, em alguma localização do elo, existirá uma junta que o une com o elo seguinte, permitindo-lhe um movimento. Conforma-se assim uma cadeia cinemática aberta de elos interligados por juntas.

Em geral, os manipuladores estão montados sobre uma

BASE fixa, à qual está unido o primeiro elo através da primeira junta. Esta base pode estar montada sobre uma superfície também fixa, ou num veículo (automatizado ou não), que lhe permita um deslocamento pelo local de trabalho.

O ponto extremo do último elo é conhecido com o nome de PUNHO, e é onde costuma estar fixado o EFETUADOR; no caso particular dos braços mecânicos ele se assemelha à mão no extremo do antebraço (Fig. 1).

Fig. 1 – Manipulador Industrial.

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6.3. TIPOS DE JUNTAS

As articulações são uniões entre as diferentes partes motrizes; nos robôs, essas articulações são denominadas juntas.

O movimento pode ser de giro (Fig. 2b), onde o elo pode rodar de um determinado ângulo com respeito ao anterior; nesse caso a junta chama-se ROTACIONAL, ROTATIVA ou de REVOLUÇÃO.

O deslocamento também pode ser linear (Fig. 2a), onde um elo se afasta ou aproxima do anterior uma determinada distância, caso em que a junta é chamada de PRISMÁTICA ou LINEAR.

Fig. 2 – Tipos de juntas.

Na Fig. 3 vemos os diferentes tipos de juntas rotativas: de torção (Fig. 3a), de elevação (Fig. 3b) e de guinada (Fig. 3c). Enquanto que na Fig. 3d vê-se a simbologia de uma junta linear.

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(a)(b) (c)

(d) Fig. 3 – Simbologia das Juntas

Um manipulador não necessita ter todas as juntas do mesmo tipo, podendo ser algumas de revolução e outras prismáticas, segundo a conveniência da configuração projetada. Nos braços mecânicos as juntas costumam ser de revolução, justamente por visarem uma proximidade com o braço humano.

As juntas, então, determinam os movimentos possíveis do manipulador, e juntamente com as características físicas dos elos, determinam a anatomia do manipulador.

A anatomia do robô deve considerar suas aplicações específicas. Por exemplo, um manipulador destinado a colocar componentes eletrônicos numa PCI deve ser substancialmente diferente de um outro destinado a deslocar carros numa linha de montagem.

6.4. GRAUS DE LIBERDADE (GL)

O número total de juntas do manipulador é conhecido com o nome de GRAUS DE LIBERDADE (ou DoF).

Um manipulador típico possui 6 graus de liberdade,

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sendo três para o posicionamento do punho dentro do ESPAÇO DE TRABALHO, e três para obter uma orientação do efetuador, conhecidas como PUNHO.

As juntas de punho têm por objetivo orientar o efetuador numa direção arbitrária, conveniente para a tarefa a ser realizada. Essas juntas são sempre de revolução, pois o objetivo é a orientação do efetuador e não seu posicionamento. Estes ângulos recebem os nomes de "PITCH” (guinada), "YAW” (giro) e "ROLL” (torção).

Na Fig. 4, observa-se que as juntas de roll, pitch e yaw têm os eixos de rotação perpendiculares entre si, permitindo uma orientação em qualquer ângulo de rotação, de inclinação à esquerda ou direita, e de inclinação para cima e para baixo.

Fig. 4 – Ângulos de Roll, Pitch e Yaw.

Portanto, a maioria dos robôs industriais de hoje em dia, mesmo que controlados por computadores, são basicamente simples máquinas posicionais.

PROBLEMA 03: Em relação ao problema 02, quais os tipos de juntas mais indicados e por quê?

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07 – ESPAÇO DE TRABALHO

7.1. INTRODUÇÃO

É definido como o volume total conformado pelo percurso do punho, quando o manipulador efetua todas as trajetórias possíveis (Fig. 5). O volume dependerá da anatomia do robô, do tamanho dos elos, assim como dos limites dos movimentos das juntas.

Fig. 5 – Espaço de trabalho.

A posição do punho pode ser representada no espaço de trabalho ou no ESPAÇO DAS JUNTAS.

A "posição no espaço de trabalho" é determinada pela posição do punho segundo um sistema de três eixos cartesianos ortogonais, cuja origem é à base do robô.

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