EMI - Aula 02 - HRC

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Robôs Industriais
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Automação Industrial
É a aplicação de técnicas e equipamentos específicos em uma
determinada máquina ou processo industrial, com o objetivo de:
	– aumentar a sua eficiência,
	– maximizar a produção com o menor custo,
	– melhores condições de segurança,
	– reduzir o esforço ou a interferência humana sobre esse 	processo ou máquina.
 
 
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Automação Industrial
É um passo além da mecanização, onde operadores humanos são providos de máquinas para auxiliá-los em seus trabalhos.
A Automação Industrial visa, principalmente, a produtividade, qualidade e segurança em um processo.
 
 
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Automação Industrial
Entre os dispositivos eletro-eletrônicos que podem ser aplicados estão:
	– Computadores, controladores lógicos programáveis (CLP, CNC, SDCDs)
	– Robôs, manipuladores e atuadores.
Estes equipamentos em alguns casos, substituem tarefas humanas ou realizam outras que o ser humano não consegue realizar.
 
 
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Automação Industrial
A parte mais visível da automação, atualmente, está ligada à robótica.
Mas também é muito importante a sua utilização nas indústrias químicas, petroquímicas e farmacêuticas, com o uso de transmissores de pressão, vazão, temperatura e outras variáveis necessárias para um controle automático.
 
 
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Automação e Robótica
Automação e Robótica são duas tecnologias próximas:
	– Automação é a tecnologia que se preocupa com o uso 	de sistemas mecânicos / elétricos / computacionais para 	controlar um processo de produção.
3 tipos de automação:
	– Fixa
	– Programável
 
 
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Automação Fixa
É usada quando o volume de produção é muito alto.
Utiliza equipamentos projetados para produção de produtos com alta velocidade e baixo custo.
Custo total é dividido pelo grande número de unidades produzidas.
Exemplo:
	– Blocos de motores, vidro
 
 
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Automação Fixa
Risco: Alto investimento.
	– Se não ocorrer a demanda prevista, custo unitário 	aumenta.
Problemas:
	– Ao final do ciclo de vida do produto, o equipamento se 	torna obsoleto.
	– Não é economicamente viável para produtos com ciclo 	de vida curtos.
 
 
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Automação Programável
É usada quando:
	– o volume de produção é relativamente pequeno.
	– têm-se a necessidade de diversos produtos.
Utiliza equipamentos programados para produção de produtos em lotes.
Custo total é dividido pelo grande número de unidades produzidas.
Adaptabilidade!
 
 
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Automação Flexível
É usada quando o volume de produção é mediano.
Utiliza uma série de estações de trabalho conectadas por equipamentos de manipulação de materiais.
Um computador central roteia e controla a produção de diferentes produtos.
	– Possibilita a produção de diferentes produtos ao mesmo 	tempo.
 
 
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Automação Flexível
Possui características da automação:
	– Fixa e
	– Programável.
Também chamada de
	– Flexible Manufacturing Systems (FMS)
	– Computer Integrated Manufacturing (CIM)
Versatibilidade!
 
 
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Características de um manipulador
Características Básicas
Algumas características básicas que permitem definir um manipulador.
Algumas são tradicionais e outras usadas na norma ISO.
 
 
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Robô - Definição ISO 9283 (1998)
Visa facilitar o entendimento entre usuários e fabricantes de robôs e sistemas robóticos.
Define as principais características de funcionamento.
Descreve como devem ser especificados.
Recomenda como realizar 14 testes para verificar se o robô obedece à especificação.
 
 
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Graus de Liberdade (DOF)
Os graus de liberdade determinam flexibilidade de movimentação e/ou observação de algo.
Objetos possuem 6 diferentes direções, nas quais podem se mover no espaço:
	– Translações: No eixo X, Y e Z.
	– Rotações: Roll (rotação ao redor de X), Yaw (ao 	redor de Y) e Pitch (ao redor de Z)
 
 
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Graus de Liberdade (DOF)
Degrees of Freedom - Definição:
Cada eixo (ou articulação) existente no manipulador cria um grau de liberdade.
Associados aos movimentos das juntas do manipulador.
Manipuladores industriais tem de 4 a 6 DOF, tipicamente.
 
 
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Manipulador PUMA com 6 DOF
 
 
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Envelope de Trabalho
Definição:
Uma região no espaço tri-dimensional que a mão ou a ferramenta de trabalho que o manipulador possui consegue alcançar.
Depende do projeto mecânico do robô.
Termo usado hoje para a área de trabalho de um operário humano.
 
 
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Envelope de Trabalho
 
 
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Resolução
Definição:
Resolução é a menor mudança de posição possível que o robô pode realizar ou que seu sistema de controle pode perceber.
Característica determinada pelo projeto do robô e de seu controle.
Três tipos: Resolução de programa, Resolução de controle e Resolução espacial.
 
 
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Resolução de Programa
É a menor mudança de posição que o programa de controle do robô pode comandar:
Depende da capacidade de memória: quantos bits podem ser usados para endereçar os pontos que o robô quer acessar.
Conhecida como Basic Resolution Unit (BRU).
Para um robô ABB IRB2000 é de 0,125 mm linear.
 
 
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Resolução de controle
É a menor mudança de posição que o dispositivo sensor do sistema de controle consegue captar.
Para um encoder de 1000 pontos por rotação é de 0,36 graus.
 
 
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Resolução do sistema de controle
O melhor desempenho é obtido quando a resolução de programa é igual a resolução de controle.
Neste caso pode-se usar apenas o termo resolução do sistema.
Muitos autores unem estas duas resoluções, chamando-as apenas de resolução de controle.
 
 
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Resolução Espacial
É a resolução de programa e de controle degradadas por imprecisões mecânicas.
Pode ser aumentada com o aumento da precisão de programa aumentando o número de pontos endereçáveis.
 
 
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Acurácia
Definição:
A habilidade do robô posicionar o atuador em uma posição do espaço.
Depende do tipo do robô e da precisão no controle de cada juntas.
Pode ser descrita como metade da resolução de controle, pois no pior caso:
O alvo se encontra entre dois pontos de controle.
 
 
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Repetibilidade
Definição:
A habilidade do robô retornar consistentemente a uma posição previamente alcançada.
É uma medida estatística.
Se a posição desejada não é atingida, mas sempre o mesmo erro acontece, então a acurácia é ruim mas a repetibilidade é boa.
 
 
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Repetibilidade
Repitibilidade descreve o erro do robô, mas não em posições absolutas. É muito usada pelos fabricantes:
A acurácia depende da carga: Cargas maiores causam deflexões maiores, que degradam a acurácia.
A repetibilidade não depende da carga.
 
 
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Carga e tamanho
Carga (Payload):
	– É o peso máximo que o robô é projetado para 	operar repetidamente com a mesma acurácia.
Tamanho:
	– tamanho total do robô
 
 
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Velocidade, aceleração e ciclo
Velocidade: – Velocidade máxima que a ponta do robô consegue se mover quando totalmente estendido.
Aceleração.
Ciclo: – O tempo que um robô leva para pegar um objeto em um certa posição e colocar em outra, retornando ao ponto de partida.
 
 
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Flexibilidade estática
Definição:
Deslocamento do atuador em resposta a uma força ou torque exercido sobre o mesmo.
Uma alta deformação significa que o pulso é movimentado bastante com o uso de uma força pequena.
É importante por que pode reduzir a precisão do robô, quando ele estiver pressionando a ferramenta contra uma peça a ser trabalhada.
 
 
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Overshoot
Definição: 
A máxima distância em respeito ao ponto desejado, durante a estabilização.
Quantifica a capacidade do robô para parar de forma suave e precisa e um ponto.
 
 
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Robôs industriais
Nos robôs industriais, os arranjos cinemáticos determinam seus tipos de movimentos e, também, suas restrições de acessibilidade.
As juntas são elementos que permitem a movimentação mecânica da estrutura do robô. Há, basicamente, dois tipos de juntas aplicadas à robótica: as rotativas e as prismáticas.
 
 
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As juntas rotativas (figura 1) possibilitam a realização de movimentos giratórios em diversas configurações de montagem e as juntas prismáticas(figura 2) permitem deslocamentos lineares em dois sentidos (ida e volta), mas em uma única direção.
 
 
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De acordo com as juntas empregadas, os arranjos cinemáticos podem ser classificados, de modo amplo, em cartesianos PPP, cilíndricos RPP, revolutos RRR, esféricos RRP e SCARA RRP.
Os robôs cartesianos PPP movimentam-se linearmente na direção de eixos ortogonais, como em um sistema de coordenadas cartesiano. Podem ter um grau de liberdade (P), dois graus de liberdade (PP) ou três graus de liberdade (PPP), sendo o último o mais utilizado.
 
 
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A Figura 3 mostra um esquema simplificado de um robô cartesiano PPP.
 
 
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Nos robôs cilíndricos RPP, o volume de trabalho gerado por todas as possibilidades de acesso do robô forma um cilindro no espaço. A figura 4 mostra um exemplo simplificado desse tipo de robô.
 
 
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Os robôs revolutos RRR efetuam somente movimentos de rotação. As configurações mais conhecidas de robôs na indústria são os revolutos com seis graus de liberdade, indicados por RRRRRR ou 6R. A figura 5 mostra um exemplo de uma configuração RRR e a figura 6 mostra um exemplo de um robô industrial revoluto 6R.
 
 
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Nos robôs esféricos, o volume de trabalho é uma esfera, conforme ilustrado na figura 7.
 
 
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O robô SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) também é do tipo RRP, mas com diferenças na configuração, conforme mostrado na figura 8.
 
 
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Avaliação da compra de robôs industriais
A substituição da mão de obra humana por um robô requer avaliações cuidadosas de diversos aspectos: investimento inicial elevado, custos elevados de instalação e de projeto, exigência de mão de obra extremamente capacitada, requisição de espaço de trabalho e de capacidade de carga do robô e, também, atendimento ao tempo de recuperação do investimento inicial, que costuma ser longo.
 
 
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Além disso, o custo social dessa substituição e seus reflexos sobre a empresa também devem ser considerados.
A decisão da compra deve levar em conta aspectos econômicos. Se um robô subdimensionado pode ser inadequado (ou até mesmo perigoso) para determinada situação, o superdimensionamento representa desperdício de dinheiro.
O engenheiro de automação deve, cuidadosamente, pesar todos esses elementos na compra de um robô ou de qualquer equipamento industrial.
 
 
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Sensores ultrassônicos ou sonares
A audição humana, quando em perfeito estado e em ambientes convenientes, permite que sejam escutados sons com frequência de até 20kHz. Infelizmente, doenças adquiridas ao longo da vida, além de abusos, como ouvir música com volume excessivamente alto e com fones de ouvido, fazem com que a maioria das pessoas, na prática, mal consiga ouvir frequências acima de 15kHz. Além disso, vivemos em ambientes barulhentos: as cidades estão repletas de ruídos de automóveis, ônibus, aviões e construções.
 
 
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Tanto na natureza quanto na engenharia, a utilidade dos sons vai além de simplesmente promover a comunicação: sons podem ser utilizados para calcular distâncias e para auxiliar, também, a operação de sistemas de navegação de equipamentos, como robôs.
 
 
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A natureza do som
Costuma-se definir som como “vibrações mecânicas que se propagam em um meio elástico” (WHITE e WHITE, 2014). Ou seja, o som é uma onda mecânica que se propaga pelos meios compressíveis.
Nos meios gasosos, como, por exemplo, o ar, a propagação da onda mecânica provoca variações periódicas da pressão em um ponto no espaço que, por sua vez, provoca o deslocamento do ar ao redor e se propaga pela existência dessa alteração.
 
 
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É fundamental que exista alguma forma de matéria com características elásticas para que ocorra a propagação do som: gás, líquido ou mesmo sólido. No completo vácuo, o som não pode se propagar, pois, como o som é o resultado da vibração de moléculas ou átomos, sem matéria não é possível sua propagação. Portanto, características físicas da matéria em que o som se propaga, como sua densidade, afetam a velocidade da propagação do som em dado meio.
 
 
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Ao falarmos de ondas (não necessariamente sonoras ou mecânicas), costumam ser empregados termos como frequência, amplitude e comprimento de onda. Quando nos referimos a uma onda física que se propaga no espaço, também devemos levar em consideração sua velocidade de propagação. Isso pode ser observado na expressão a seguir, que mostra a amplitude da onda em função da velocidade de propagação:
 
 
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Na expressão, y é a ordenada da onda no instante t, A é a amplitude (de pico) da onda, λ é o comprimento de onda, x é distância entre o ponto estudado e a origem da onda e v é a velocidade de propagação da onda.
Na figura 1, temos um gráfico dessa onda em um ponto no espaço: no ponto x = π.
 
 
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Foram utilizados os seguintes valores: λ = 2π e v=1. Não foram colocadas as unidades, pois trata-se apenas de um exemplo hipotético que não descreve nenhum fenômeno físico específico.
 
 
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Na figura 1, (1) é a amplitude A e (2) é a amplitude de pico a pico 2A.
Em uma onda que se propaga com uma velocidade constante v, tem-se a seguinte relação entre o comprimento de onda λ e a frequência f:
 
 
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Existe uma relação entre a frequência de uma onda e a forma como a percebemos.
Sons com frequências mais baixas tendem a ser percebidos como mais graves, enquanto sons com frequências mais altas tendem a ser percebidos como mais agudos. 
Frequências acima da capacidade humana de audição são chamadas de ultrassons.
 
 
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Como o ultrassom funciona - Na figura 2, temos um exemplo simplificado de funcionamento do ultrassom. Uma fonte emissora ou autofalante (1) emite um ultrassom (2) na direção de um objeto (3) que, por sua vez, reflete o ultrassom (4) na direção de um detector (5).
 
 
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A reflexão pode não ocorrer na direção exata do detector e, nesse caso, a onda vai ser “perdida”. Contudo, objetos grandes e com elevada rugosidade refletem as ondas nas direções em que elas foram emitidas e, supondo que o detector e o emissor estejam próximos um do outro, existe grande chance de as ondas serem captadas.
Observamos que, caso o emissor (1) e o detector (5) estejam próximos, os cálculos a serem realizados podem ser aproximados de forma que a onda percorra a mesma distância
na ida (2) e na volta (4).
 
 
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Considerando que o meio em que se está usando o sensor é o ar e sabendo que a velocidade do som no ar (vS) é uma constante conhecida (aproximadamente 340m/s), podemos calcular a distância percorrida (∆s) apenas medindo a diferença de tempo entre a emissão do som e a sua chegada ao detector (∆t) e utilizando a mecânica clássica, como mostrado pela fórmula a seguir
					podemos escrever: 
 
 
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O tempo medido é o necessário para o ultrassom sair do emissor, refletir na peça e ser captado pelo receptor. Como a distância entre o emissor e a peça é a mesma distância entre a peça e o receptor, podemos dizer que a distância entre o sensor e o objeto (3) é aproximadamente metade da distância percorrida Δs (ou seja, as distâncias (2) e (4) na figura 2 são aproximadamente iguais).
 
 
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Questão 10 - IV
Em uma fábrica de automóveis, foi solicitada, a um Engenheiro de Controle e Automação, a especificação de robôs manipuladores para uma célula de produção onde seriam feitas montagens e soldagens em partes internas e externas de veículos. Após a análise do problema, o engenheiro especificou robôs manipuladores com 6 (seis) graus de liberdade do tipo articulado (antropomorfo) com punho do tipo esférico, com a opção de controle de impedância para salvaguardar a destruição de peças durante as etapas de montagens e soldagem. 
 
 
Questão 10 – TOMO IV
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Na solução adotada pelo Engenheiro para o problema:
I. seis é o número mínimo de graus de liberdade que possibilita um robô manipulador alcançar um conjunto posição + orientação, especificado em uma tarefa de montagem ou soldagem. 
II. a estrutura dos graus de liberdade de posicionamentoé de três juntas revolucionárias (RRR), enquanto a estrutura de orientação é de uma junta revolucionária (RPP).
III. o controle de impedância faz uso do conceito de impedância mecânica para controlar a força de contato aplicada pelo robô manipulador.
IV. os graus de liberdade estão divididos em três graus para o posicionamento e três graus para a orientação.
 
 
Questão 10 – TOMO IV
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É correto apenas o que se afirma em:
A. 	I e II.
B. 	II e III.
C. 	III e IV.
D.	I, III e IV.
E. 	I.
 
 
Questão 10 – TOMO IV
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Análise das afirmativas
I e IV – Afirmativas corretas.
JUSTIFICATIVA. O número mínimo de graus de liberdade que permite a um robô manipulador alcançar um conjunto posição + orientação, especificado em uma tarefa de montagem ou soldagem, é igual a seis. Esses seis graus de liberdade resultam de três graus de liberdade para o posicionamento e de três graus de liberdade para a orientação.
II – Afirmativa incorreta.
JUSTIFICATIVA. Não se trata de uma situação na qual os graus de liberdade de posicionamento sejam de três juntas revolucionárias (RRR) e a estrutura de orientação seja de uma junta revolucionária e duas prismáticas (RPP).
III – Afirmativa correta.
JUSTIFICATIVA. O controle de impedância utiliza o conceito de impedância mecânica no controle da força de contato aplicada pelo robô manipulador.
Alternativa correta: D. 
 
 
Questão 10 – TOMO IV
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Questão 10 - VIII
Considere que em uma célula de produção de determinada fábrica opera-se todos os dias em 3 turnos (4 funcionários, um por turno e um para revezamento) para executar os planos de produção de uma família de peças. O proprietário da fábrica, que possui conhecimento na área de automação, está avaliando a hipótese de substituir os funcionários da célula de produção por um robô manipulador. A instalação é composta por um centro de usinagem CNC e por um sistema de visão, sendo 160cm a distância entre os respectivos pontos de manipulação. O peso das peças produzidas varia de 2kgf a 5kgf e optou-se pela utilização de um braço robótico equipado com uma garra pneumática de 1,5kgf.
 
 
Questão 10 – TOMO VIII
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O quadro a seguir apresenta as principais características de modelos robóticos disponíveis no mercado.
 
 
Questão 10 – TOMO VIII
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Em relação ao caso apresentado, faça o que se pede nos itens a seguir.
a) Indique o modelo mais econômico que seja adequado para realizar o transporte de peças entre os dois equipamentos, considerando os dados do quadro e o posicionamento central do robô em relação aos equipamentos e justifique a sua escolha.
b) Cite duas vantagens e duas desvantagens relacionadas à substituição do ser humano por robôs em sistemas de produção.
c) Determine o tempo necessário para a recuperação do investimento inicial, se a taxa mínima de atratividade for igual a zero. Considere que a solução robótica tenha um custo total de R$300 mil (incluindo a aquisição do manipulador e as despesas de instalação), que o custo de operação e manutenção seja de R$40 mil/ano e que a produção anual seja de R$100 mil. Em contrapartida, o custo de cada funcionário já capacitado é de R$15 mil/ano e sua produção anual é de R$80 mil.
 
 
Questão 10 – TOMO VIII
E.M.I.
Resolução da questão
a) Se a distância entre os dois pontos de manipulação é de 160cm (ou 1,6m), podemos colocar o robô no centro entre os dois pontos, de forma que o alcance do braço robótico deve ser de no mínimo 160cm/2=80cm(0,8m). Isso elimina o robô A. O robô deve ter capacidade de carga correspondente ao peso máximo das peças produzidas (5kgf) mais o peso da própria garra (1,5kgf), totalizando 6,5kgf. Isso elimina o robô B (bem como o robô A, também eliminado pelo alcance). Entre os modelos C, D e E, o robô C é o mais barato e atende a todas as expectativas.
 
 
Questão 10 – TOMO VIII
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Resolução da questão
b) Como vantagem do uso de robôs, temos o fato de eles poderem substituir humanos em tarefas perigosas ou desgastantes. Robôs também são ideais para a execução de tarefas repetitivas e que não requerem criatividade.
Além disso, robôs podem ter elevada capacidade de carga, muito maior do que a de um humano.
Como desvantagens do uso de robôs, temos a eliminação de postos de trabalho (o que causa desemprego em alguns tipos de atividades profissionais) e o elevado investimento inicial necessário para a sua implantação (ainda que esse valor venha diminuindo de forma substancial nos últimos anos).
 
 
Questão 10 – TOMO VIII
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Resolução da questão
c) Primeiramente, devemos calcular o lucro anual considerando o uso de funcionários, conforme segue.
Lucro (por ano) = Produção com funcionários (por ano) – Custo dos funcionários (por ano)
O custo dos funcionários corresponde ao somatório de todos os salários dos quatro funcionários que trabalham na célula de produção:
Custo dos funcionários = 4xR$15000
Custo dos funcionários = R$60000
 
 
Questão 10 – TOMO VIII
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Resolução da questão
A produção anual da célula, utilizando funcionários, é de R$80000 (dado do problema).
Logo:
Lucro (por ano) = R$80000–R$60000
Lucro (por ano) = R$20000
O lucro anual utilizando robôs é:
Lucro (por ano) = Produção do robô – Custo anual do robô
Lucro (por ano) = R$100000–R$40000
Lucro (por ano) = R$60000
 
 
Questão 10 – TOMO VIII
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Resolução da questão
O investimento inicial com o uso de funcionários é zero (os trabalhadores já estão capacitados de acordo com o enunciado).
O investimento inicial do robô é de R$300000 de acordo com o enunciado.
Para calcularmos o tempo necessário para a recuperação do investimento inicial, considerando a taxa mínima de atratividade igual a zero e considerando que o valor de investimento é de R$300000 para o robô e zero para os funcionários.
Assim, o tempo necessário para a recuperação do investimento é:
R$300000/(R$60000-R$20000)/ano=7,5 anos
 
 
Questão 10 – TOMO VIII
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Questão 2 – TVII
Sensores ultrassônicos são usados na medição de grandezas como distância e nível. Alguns desses sensores emitem um sinal na frequência de 40kHz que, ao atingir um objeto, retorna; e, quando captado, permite calcular a distância do objeto ao sensor. 
 
 
Questão 2 – TOMO VII
E.M.I.
Nesse contexto, avalie as afirmativas a seguir.
O cálculo da distância pode ser obtido usando-se equações da mecânica clássica.
Para evitar uma interferência entre o sinal enviado e os sinais espúrios advindos de fontes eletromagnéticas, deve-se utilizar um filtro.
No caso específico de um sensor ultrassônico, o cálculo da distância baseia-se na variação da velocidade e, dessa forma, no efeito Doppler.
Para uma leitura adequada do sinal desse sensor em um sistema de aquisição de dados, deve-se utilizar uma taxa de amostragem de no mínimo 80kHz de forma a evitar o efeito aliasing (sobreposição de sinal, falso retorno, erro do sensor)
 
 
Questão 2 – TOMO VII
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É correto apenas o que se afirma em:
	A. I e IV.
	B. II e III.
	C. III e IV.
	D. I, II e III.
	E. I, II e IV.
 
 
Questão 2 – TOMO VII
E.M.I.
Análise das afirmativas
I – Afirmativa correta.
JUSTIFICATIVA. A velocidade do som no ar (vS) é aproximadamente 340m/s e a velocidade da luz no vácuo (c) é aproximadamente 3.108m/s. Logo, vS<<<<c e o cálculo da distância pode ser feito usando-se equações da mecânica clássica.
II – Afirmativa incorreta.
JUSTIFICATIVA. O ultrassom é uma onda mecânica, de natureza completamente diferente das ondas eletromagnéticas. Dessa forma, fontes eletromagnéticas não interferem diretamente no sensor, mas podem fazê-lo de outras formas, como, por exemplo, no circuito em que o sensor está ligado.
 
 
Questão 2 – TOMO VII
E.M.I.
III – Afirmativa incorreta.
JUSTIFICATIVA. O uso do efeito Doppler é indicado para fonte de som em movimento. Na situação em estudo, a fonte de som está parada: o que se move é a onda sonora.
IV – Afirmativa correta.
JUSTIFICATIVA. O teorema da amostragem impõe que a taxa de amostragem deve ser de pelo menos o dobro da banda do sinal. Dessa forma, supondo que o valor máximo de frequência contida no sinal seja de 40kHz,a frequência de amostragem deve ser de, no mínimo, 80kHz. O teorema de Nyquist supõe que a frequência de amostragem deve ser o dobro da frequência do sinal para uma medida precisa.
Alternativa correta: A.
 
 
Questão 2 – TOMO VII
E.M.I.
 
 
 
Indicações bibliográficas
ADADE FILHO, A. Fundamentos de robótica: cinemática, dinâmica e controle de manipuladores robóticos. São José dos Campos: ITA, 2001.
SPONG, M. W.; HUTCHINSON, S.; VIDYASAGAR, M. Robot modeling and control. Hoboken: John Wiley & Sons, 2006. ISBN-13 978-0-471-64990-8.