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www.company.com Universidade Federal de Campina Grande Departamento de Engenharia Elétrica Disciplina: Automação Industrial 2011.2 Professor: George Acioli Júnior ROBÓTICA INDUSTRIAL Automação Industrial Robótica Industrial Débora Diniz de Melo e Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira 31 de Outubro de 2011 www.company.com Origem da Palavra • A palavra “robô” origina-se da palavra tcheca “robotinik” que significa servo. • Foi usada pela primeira vez pelo dramaturgo Karel Capek em 1921 na peça teatral Rossum’s Universal Robots(R.U.R). • A peça retratava a criação de robôs para substituir o homem nos trabalhos pesados. • O robô começa então a ser visto como uma máquina “humana” com inteligência e personalidade. Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Evolução da Robótica Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Evolução da Robótica • Em 1940 o escritor norte-americano Isaac Asimov estabelece quatro leis muito simples para a róbotica: 1. Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal. 2. Um robô deve obedecer as ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos em que tais ordens contrariem a Primeira Lei. 3. Um robô deve proteger sua própria existência desde que tal proteção não entre em conflito com a Primeira ou a Segunda Lei. 4. Lei Zero : Um robô não pode fazer mal à humanidade e nem, por inacção, permitir que ela sofra algum mal(escrita em 1984) • Essas leis foram elaboradas pelo escritor em seu livro de ficção I, Robot ("Eu, Robô") que mais tarde chegou aos cinemas estrelado pelo ator Will Smith. Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Evolução da Robótica Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial • Em 1954, George Devol cria a patente de um equipamento chamado “Programmed Article Transfer”(Máquina de Transferência Programada),a qual sua principal função era a transferência de objetos de um ponto a outro. • Em 1956 George Devol e Joseph Engelberger formam a primeira empresa de robôs industriais chamada UNIMATION. • Em 1961 o primeiro produto da UNIMATION chamada “Unimate” foi instalada na planta da GM em Trenton,New Jersey. 31 de Outubro de 2011 www.company.com Evolução da Robótica Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial • Em 1969 Victor Scheinman inventou na Universidade de Stanford, um robô articulado de 6 eixos,que ficou conhecido como braço de Stanford. • Isto permitiu que o robô fosse capaz de aplicações mais sofisticadas como montagem e soldagem. • Sheinman vendeu seus projetos para a Unimation, a qual o desenvolveu com o auxílio da GM e posteriormente o comercializou como a Máquina Programável Universal para Montagem(PUMA). • Em 1973 a empresa “KUKA Robotics” constroi seu primeiro robô articulado de 6 eixos conhecido como “FAMULUS” • Em 1974 a empresa “Cincinnati Milacron” introduz o primeiro robô industrial controlado por computador que move objetos em uma linha de montagem denominado T3(The Tomorrow Tool). 31 de Outubro de 2011 www.company.com Vantagens da Robótica Industrial • Aumento na produtividade e na rentabiliadade. • Melhoria da qualidade devido a padronização de produtos. • Evita desperdícios e refugos. • Menor demanda de mão-de-obra especializada. • Operação em ambientes difíceis e perigosos. • Operação de tarefas repetitivas e desagradáveis para o ser humano. Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial Tempos Modernos do cineasta Charles Chaplin 31 de Outubro de 2011 www.company.com Vantagens da Robótica Industrial • Capacidade de trabalho por longos períodos sem interrupção. Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial Vida Útil = 6 Anos Trabalho = 22 Horas/Dia Dias = 7 dias da Semana Valor Unico = US$ 17 mil Vida Útil = 30 Anos Trabalho = 8 Horas/Dia Dias = 5 dias da Semana Valor Anual = US$ 13 mil 48 Mil Horas de Trabalho 48 Mil Horas de Trabalho OBS:Estudo conduzido no Japão em 1983 referente ao ano de 1981; 31 de Outubro de 2011 www.company.com Desvantagens da Robótica Industrial • Decréscimo do nível de emprego nas atividades industriais. • Robôs substituem dezenas ou até centenas de homens em uma linha de produção. • A OIT(Organização Internacional do Trabalho) recomenda que para reduzir as altas taxas de desemprego é necessário a: – Redução da jornada de trabalho para 30 horas semanais – Criação de empregos no setor de serviços sociais como saúde e educação. Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Conceituação da Robótica Industrial • Um robô industrial se trata de um braço mecânico motorizado e programável que apresenta características antropomórficas. • O computador guarda em sua memória um programa que detalha quais movimentos devem ser feitos. Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Conceituação da Robótica Industrial • Classificação de um Sistema Automatizado – Automação Rígida: Máquinas não reprogramáveis. – Automação Flexível: Máquinas reprogramáveis. • Funcionalidades e Habilidades de um Robô – Robôs de Primeira Geração: Incapazes de obter qualquer informação sobre o meio. – Robôs de Segunda Geração: Capazes de se comunicar com o ambiente através sistemas de sensoriamento e identificação. Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Mercado da Robótica Industrial • Por muito tempo o único concorrente da Unimation foi a Cincinnati Milacron. • Durante os anos 70,o Japão se recusou a seguir as leis de patentes internacionais permitindo que um grande número de empresas japonesas copiassem as patentes americanas e iniciassem a produção de robôs industriais similares. • O interese em robótica industrial cresceu no final dos anos 70 e muitas empresas americanas resolveram entrar nesse campo. • As grandes General Eletric e General Motors se associaram com a japonesa FANUC Robotics. • Em 1984, a Unimation foi adiquirida pela Westinghouse Eletric Coorporation por 107 milhões de doláres. • Em 1988 a Unimation foi vendida para a francesa Staubli Faverges SCA. • Atualmente, as empresas mais importantes no mercado mundial são: Adept Technology, Staubli- Unimation, ABB Asea Brown Boveri e a KUKA RObotics. • No mercado brasileiro as principais marcas utilizadas são a FANUC , ABB e a KUKA . Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Principais Marcas Utilizadas no Mercado Brasileiro • Multinacional com sede em Oshinono Japão. • Abreviatura de Fujitsu Automated Numerical Control. • 18% do Mercado Brasileiro. 4 Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Principais Marcas Utilizadas no Mercado Brasileiro • Multinacional com sede em Zurique na Suiça. • A ABB resultada fusão em 1988 de duas grandes empresas: a sueca Asea e a suíça Brown Boveri. • 33% do Mercado Brasileiro. 4 Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Principais Marcas Utilizadas no Mercado Brasileiro • Multinacional com sede em Augsburgo na Alemanha. • Seus fundadores são Keller e Knappich. • O nome da empresa KUKA é uma abreviatura de Keller und Knappich Augsburg. • 13% do Mercado Brasileiro. 4 Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com Aplicações dos Robôs nas Indústrias Flávio Fabrício Ventura de Melo Ferreira Introdução a Robótica Industrial 31 de Outubro de 2011 www.company.com ASPECTOS CONSTRUTIVOS DE MANIPULADORES ROBÓTICOS Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 2 / 30 www.company.com Aspectos construtivos de manipuladores robóticos • Elementos mecânicos • Configurações de robôs • Sensores e atuadores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 2 / 30 www.company.com Elementos Mecânicos - Mobilidade do manipulador depende do número de vínculos e juntas que o mesmo possui - Requisitos: - Baixa inércia; - Baixo atrito - Elevada rigidez 4 Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 4 / 30 Figura 01– Junta e vínculos de um braço robótico www.company.com Elementos Mecânicos Juntas: – O número de juntas, determina o grau de liberdade do robô; – Com menos de seis graus de liberdade não se alcança todos os pontos do ambiente, com mais de seis, o robô é redundante 4 Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 4 / 30 Figura 02 – Eixos de um robô www.company.com Elementos Mecânicos Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Tipos de Juntas: • Juntas deslizantes Permite o deslocamento linear dois vínculos Figura 03 – Junta deslizante www.company.com Tipos de Juntas Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Juntas de rotação Permite o movimento de rotação entre os vínculos Figura 04 – Junta de rotação www.company.com Tipos de Juntas Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Juntas de bola-e-encaixe Permite a combinação de três juntas de rotação, o movimento se dá em torno de três eixos Figura 05 – Junta de bola-e-encaixe www.company.com Tipos de Juntas Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Juntas de três juntas rotacionais Permite o movimento de três juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentação se cruzam em um ponto Figura 06 – Junta de três juntas rotacionais www.company.com Graus de liberdade e Graus de movimento Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 07 – Esquema dos graus de liberdade • Graus de liberdade Localização de um objeto no espaço euclidiano • Posicionamento (três graus de liberdade: X, Y, Z) • Orientação (três graus de liberdade: θX, θY, θZ) www.company.com Graus de liberdade e Graus de movimento Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Considerações: – Número máximo de graus de liberdade: 6 – Graus de liberdade associados à capacidade do robô posicionar e orientar o seu elemento – Graus de movimento podem ou não corresponder a – Manipulador redundante: GDM > GDL www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Configurações Série – Cartesiana – Cilíndrica – Polar – Articulada ou revoluta – SCARA • Configurações Paralela www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Robô de coordenadas cartesianas: Pode se mover em linhas retas, a localização da garra pode ser achada em coordenadas cartesianas Figura 08 – Robô de coordenadas cartesianas www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Robô de coordenadas cartesianas: - Estrutura modular - Controle de movimentos e programação simples - Estrutura rígida - Capacidade de carga elevada - Precisão elevada Figura 09 – Junta de três juntas rotacionais www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Robô de coordenadas cartesianas: Figura 10 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô de coordenadas cartesianas www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Robô de coordenadas cilíndricas: Combina movimentos rotacionais e lineares, o movimento dos eixos descrevem um cilindro Figura 11 – Eixos de cilíndricos de robô www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 12 – Eixos de robô cilíndricos • Robô de coordenadas cilíndrica: - Controle de movimentos e programação simples - Possível velocidade de operação elevada - Precisão boa - Boa acessibilidade frontal e lateral www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Robô de coordenadas cilíndrica: Figura 13 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô de coordenadas cilíndricas www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 14 – Eixos de robô esféricos • Robô de coordenadas esféricas: Combina dois movimentos rotacionais com um linear. www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 15– Eixos de robô esféricos • Robô de coordenadas esféricas: - É necessário grande espaço para trabalho - Controle mais complicado do que o cilíndrico, devido aos movimentos de rotação www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Robô de coordenadas esféricas: Figura 16 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô de coordenadas esféricas www.company.comConfiguração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 17 – Eixos de robô articulado • Robô de coordenadas de revolução: Possui três juntas de revolução (RRR). Atende requisitos da indústria automobilística, assemelha-se ao braço humano www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 18 – Eixos de robô articulado • Robô de coordenadas de revolução: - Controle é complicado; - Excelente manobrabilidade; - Elevada velocidade de operação - Fácil acesso ao espaço frontal, lateral, superior e retaguarda www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Robô de coordenadas de revolução: Figura 06 – Junta de três juntas rotacionais Figura 19 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô de coordenadas revolução www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 20 – Eixos de robô articulado • Robô do tipo SCARA: (Selective compliance assembly arm) Combinação de eixos de movimento rotativo num plano horizontal com um movimento linear vertical (RRP) www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 21 – Eixos de robô articulado • Robô do tipo SCARA: (Selective compliance assembly arm) - Estrutura vocacionada para operações de montagem; - Excelente manobrabilidade; - Elevada velocidade de operação - Precisão e repetitividade elevadas www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Robô do tipo SCARA: Figura 22 – capacidade quanto à área de trabalho de um robô do tipo SCARA www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 23 – Eixos de robô articulado • Configuração paralela: www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Garras Mecânicas – Pneumático – Elétrico – Mecânico – Hidráulico • Garras Magnéticas • Garras de Sucção www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Garras Mecânicas – Garra de dois dedos; – Garra de três dedos; – Garra para a preensão de objetos cilíndricos; – Garra para a preensão de objetos frágeis; – Garra articulada. www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 24 – Garras de dois dedos (a) movimento rotativo (b) movimento paralelo • Garra de dois dedos – Vantagem: Comum – Desvantagem: Limite de abertura a) b) www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 25 – Garra de três dedos • Garra de três dedos www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 26 – Garra de três dedos • Garra de pressão de objetos cilíndricos www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 27 – Garra de pressão de objetos frágeis • Garra de pressão de objetos frágeis www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 28 – Garra articulada • Garra articulada – É projetado para objetos de diferentes tamanhos e formas www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 29 – Garra magnética • Garra magnética – Vantagens: pouco tempo e se adapta ao tamanho das peças – Desvantagens: deslizamento lateral e impossibilidade de apanhar apenas uma chapa www.company.com Configuração física do robô Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 30 – Garra articulada • Garra de sucção Baseia-se na existência do vácuo – Objetos planos, lisos e limpos www.company.com Sensores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Internos ou proprioceptivos: – Informações sobre variáveis internas – Realiza tarefas pré-programadas, repetitivas. www.company.com Sensores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Figura 31 – Encoder • Exemplos: – Encoders Transforma movimento angular em pulsos de onda quadrada • Sentido da rotação • Posição • Velocidade www.company.com Sensores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Externos ou exteroceptivos: – Informações sobre o ambiente – Realiza tarefas complexas, tal como inspecionar qualidade das peças e agarrar objeto em posição aleatória www.company.com Sensores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Exemplos: Figura 32 – Sensores externos. Ultrasônico e capacitivo www.company.com Atuadores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Principais requisitos: – baixa inércia – elevada aceleração – gama de velocidade alargada – boa relação peso – potência – manutenção simples – eficiência energética www.company.com Atuadores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 Tipos de acionamento • Movimento: rotação e deslizamento • Acionamento: elétrico, hidráulico e pneumático • Conexão: direto e indireto www.company.com Atuadores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Acionamento elétrico: – Vantagens: • Eficiência calculada, controle preciso • Envolve uma estrutura simples e fácil manutenção • Não requer uma fonte de energia cara • Custo relativamente pequeno – Desvantagens: • Sujeitos a danos para cargas pesadas suficientes paraparar o motor • Baixa razão de potência de saída do motor e seu peso, necessitando um motor grande no braço www.company.com Atuadores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Acionamento elétrico: Figura 33 – Unidade de acionamento elétrico www.company.com Atuadores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Acionamento hidráulico: – Vantagens : • Precisão de operação (menor que o elétrico e maior que o pneumático) • Pode manter um alto momento para um longo período de tempo, quando parado – Desvantagens: • Requer uma fonte de energia cara • Requer uma manutenção cara e intensa • Requer válvulas de precisão caras • Está sujeito a vazamento de óleo www.company.com Atuadores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Acionamento hidráulico: Figura 34 – Unidade de acionamento hidráulico www.company.com Atuadores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • Acionamento pneumático: – Vantagens: • Podem operar em velocidades extremamente altas • Custo relativamente pequeno • Fácil manutenção – Desvantagens: • Não possui alta precisão • Esta sujeito a vibrações quando o motor ou cilindro pneumático é parado www.company.com Atuadores Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 O driver elétrico: – Alta precisão de posição; – Transferência de carga de tamanho pequeno e médio; – Pequenas ambientes para sistemas de compressores de óleo e ar; O driver hidráulico: – De média para alta precisão na localização e velocidade; – Transferência de cargas pesadas O driver pneumático: – Necessidade de baixo custo; – Baixa precisão – Altas velocidades; – Transferências de pequenas e médias cargas. www.company.com Bibliografia Débora Diniz de Melo Aspectos Construtivos de Manipuladores 31 de Outubro de 2011 3 / 30 • ROSÁRIO, João Maurício, Princípio de Mecatrônica - São Paulo, Prentice Hall - 2005 • Fu, K. S., Gonzalez, R. C., Lee, C. S. G. Robotics: Control, Sensing, Vision and Intelligence.McGraw-Hill, 1987 • SCIAVICCO, Lorenz and Siciliano, Bruno. Modeling and Control of Robot Manipulators. Springer Verlag, 2000 • GROOVER, M. P. ; Weiss, M., Nagel, R; Odrey, N.G. Industrial Robotics - Technology, Programming and Applications. McGraw- Hill, 1986
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