Notas de aula sobre aspectos gerais de robôs industriais 20180318

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R1_Introdução.pdf
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PMR2560 PMR2560 –– RobRobóóticatica
IntroduIntroduççãoão
Eduardo L. L. Cabral
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• O que é a robótica?
• Robôs industriais
• Descrição da disciplina
• Vídeos
ObjetivosObjetivos
Introdução
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De onde surgiu o termo robôDe onde surgiu o termo robô
• O termo robô apareceu pela primeira 
vez na peça R.U.R., de Karl Capek
escrita em 1920.
• A palavra robota significa servidão 
em Tcheco. 
• Na peça, Robota era o nome de uma 
raça de trabalhadores feitos de 
partes humanas.
• Na peça, Robota significava criatura 
artificial que fazia trabalhos de baixo 
nível e que não merecia respeito e 
nem tinha direitos.
Introdução
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Autômatos: os primeiros robôsAutômatos: os primeiros robôs
• Descartes: os corpos não são 
nada mais do que máquinas 
complexas que podem ser 
implementadas por meios 
mecânicos, como por exemplo, 
pistões no lugar de músculos etc.
• Jacques de Vaucanson projetou e 
implementou um pato automato no 
século 17. O pato era capaz de 
comer grãos, digerir e defectar.
Introdução
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Mais autômatosMais autômatos
• Automato de 
Maillardet's, construído 
no século 18, era 
capaz de desenhar 
figuras! 
• O código era 
armazenado em cames
ou discos de bronze.
Introdução
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• Termo robótica – Isaac Asimov, 
Leis da Robótica, década de 40.
• Primeiro robô industrial moderno 
– George Devol e Joe 
Engelberger – década de 50.
• Unimation Inc. – Unimate -1961:
– Unimate - primeiro robô industrial; 
⇒ Família de robôs PUMA.
RobRobóótica Modernatica Moderna
Introdução
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Hoje: o que Hoje: o que éé um robô?um robô?
• Um robô é uma máquina que deve:
– interagir fisicamente com o ambiente ao seu redor;
– ser programável para realizar tarefas dentro de um 
determinado domínio.
• Robôs são adequados para tarefas que são:
– repetitivas, chatas;
– insalubres; 
– perigosas;
para o ser humano.
Introdução
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Tipos de robôsTipos de robôs
• Robôs industriais; 
• Robôs semi-autônomos;
• Robôs autônomos;
• Diversos exemplos de robôs.
Introdução
• Robôs industriais; 
• Robôs semi-autônomos;
• Robôs autônomos;
• Diversos exemplos de robôs.
• Robôs industriais; 
• Robôs semi-autônomos;
• Robôs autônomos;
• Diversos exemplos de robôs.
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• Definição de robô industrial:
– Robô manipulador (ISO 10218): mecanismo 
com vários graus de liberdade, controlado 
automaticamente, reprogramável e 
multifuncional, que pode ter base fixa ou 
móvel, para utilização em aplicações de 
automação industrial.
– Máquina multifuncional programável, 
projetada para movimentar peças, materiais 
e ferramentas, com movimentos 
programados para desempenho de uma 
variedade de tarefas.
RobRobóótica industrialtica industrial
Introdução
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• Projetados para ter precisão; 
• O ambiente e a tarefa são estruturados e controlados;
• Utilizados na automação da manufatura;
• Sensoriamento do ambiente não é sempre necessário;
• Consistem de um produto da engenharia: uma máquina 
mecatrônica, com partes mecânica, eletrônica, controle 
e computação.
� Não se vê um robô industrial em ambientes fora da 
indústria.
Robôs industriaisRobôs industriais
Introdução
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CaracterCaracteríísticas dos robôs industriaissticas dos robôs industriais
• Requisitos de alta confiabilidade e precisão fazem com 
que os robôs industriais sejam máquinas caras.
• Programação dos robôs industriais é bastante 
trabalhosa:
– Programação manual;
– O operador tem que mostrar ao robô o que fazer.
• O ambiente tem que ser estruturado.
• AGV's (Automatic Guided Vehicles) são tipicamente 
controlados por faixas magnéticas instaladas no chão da 
fábrica.
Introdução
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• Controle remoto:
– nós controlamos o robô;
– podemos ver o robô e a sua interação 
com o ambiente;
– controlamos a interação do robô com o 
ambiente.
• Tele-operação:
– Nós controlamos o robô sempre ou em 
algumas ocasiões;
– Enviamos comandos para o robô; 
– Vemos o ambiente do robô somente 
através dos “olhos” do robô.
Robôs semiRobôs semi--autônomosautônomos
Introdução
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Robôs autônomosRobôs autônomos
• Operam em ambientes não 
estruturados e não previsíveis, 
tais como, Marte, nossa sala de 
visita, ou qualquer lugar onde as 
pessoas vivem.
• Sensoriamento não é mais 
opcional, se torna uma 
necessidade obrigatória.
• Autônomos em todos os 
aspectos: fonte de energia, 
computação, sensoriamento, 
atuação.
Introdução
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• A mobilidade impede o uso 
de hipóteses simplificadoras 
que se pode fazer sobre o 
ambiente.
• Métodos da engenharia 
utilizados nos robôs 
industriais não se aplicam e 
falham totalmente.
• O desafio se enquadra na 
área da Inteligência Artificial 
combinada com métodos da 
engenharia. 
Robôs autônomosRobôs autônomos
Introdução
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• Robôs manipuladores industriais:
– Classificação;
– Seleção e aplicações;
– Partes construtivas: estrutura mecânica, sensores, atuadores, 
efetuador, controle, sistema de potência;
– Transformação de coordenadas;
– Cinemática de robôs manipuladores;
– Estática de robôs manipuladores;
– Dinâmica de robôs manipuladores;
– Controle de robôs manipuladores;
– Programação de robôs manipuladores: parte prática de 
laboratório.
ConteConteúúdo da disciplinado da disciplina
Introdução
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• Visão robótica:
– Formação de imagens digitais;
– Representação de cores;
– Calibração de câmeras;
– Introdução a visão estéreo; 
– Noções de reconstrução 3D. 
– Conversão de imagens;
– Imagens binárias (detecção de objetos e sua propriedades);
– Processamento morfológico de imagens;
– Processamento digital de imagens: filtragem, suavização, detecção de 
características (bordas, cantos, linhas), detecção de cores e de 
manchas.
ConteConteúúdo da disciplinado da disciplina
Introdução
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• Bibliografia básica (robôs industriais): 
– SCIAVICCO, L.; SICILIANO, B. “Modelling and Control of Robot
Manipulators”. Springer-Verlag. 2005
– CRAIG, J.J. “Introduction to Robotics: Mechanics and Control”, 
2ª ed., Addison-Wesley, 1989. 
– FU, K. S.; GONZALES, R. C.; and LEE, C. S. “Robotics: Control, 
Sensing, Vision and Intelligence”, McGraw-Hill, 1987. 
• Bibliografia complementar (robôs industriais): 
– ASADA, H. and SLOTINE, J. J. “Robotic Analysis and Control.”
John Wiley & Sons, 1986.
– SPONG, M. W. and VIDYASAGAR, M. “Robot Dynamics and
Control.” John Wiley & Sons, 1989. 
Referências bibliogrReferências bibliográáficasficas
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• Bibliografia básica (parte de visão): 
– GONZALEZ, R. C.; WOODS, R. E. Processamento
digital de 
imagens. 3ª edição, Addison Wesley, 2010. 
– SZELISKI, R. Computer Vision: Algorithms and Applications. 
Springer, 2011.
– GONZALEZ, R. C.; WOODS, R. E.; Digital Image Processing
Using MATLAB. 2ª edição, Gatesmark Publishing, 2009. 
• Bibliografia complementar (parte de visão): 
– FORSYTH, D.; PONCE, J. Computer Vision: A Modern
Approach. 2ª edição, Prentice Hall, 2011. 
• Apostilas disponíveis no site da disciplina no STOA. 
Referências bibliogrReferências bibliográáficasficas
Introdução
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• Provas e trabalhos.
• Provas: 70% da nota da disciplina:
– Pesos das provas: P1 ⇒ peso 2; P2 ⇒ peso 3;
– Datas das provas:
– Prova substitutiva é só para quem faltou em uma das provas.
• Trabalhos: 30% da nota da disciplina:
– Calibração de câmeras e visão estéreo;
– Processamento de imagens;
– Tarefa de Programação do Robô KUKA tarefa de programação do robô 
KUKA;
• Listas de exercícios ⇒ listas não são corrigidas e não valem 
nota, são exemplos de problemas.
CritCritéério de avaliario de avaliaççãoão
Introdução
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– Montagem;
– Paletização;
– Pintura;
– Manipulação de materiais 1;
– Manipulação de materiais 2;
– Manipulação de materiais 3;
– Soldagem;
– Robô cirúrgico.
VVíídeos de aplicadeos de aplicaçções de robões de robóóticatica
Introdução
R10_Sensores.pdf
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PMR2560 PMR2560 –– RobRobóóticatica
SensoresSensores
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• Sensores utilizados nos robôs industriais.
– Sensores internos;
– Sensores externos.
• Sensores de posição e velocidade.
• Sensores de força e torque.
ObjetivosObjetivos
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• Sensores internos:
– Utilizados para controlar movimento ou força aplicada pelo robô;
– Tipos :
• Sensores de posição e velocidade das articulações;
• Sensores de força e torque.
• Sensores externos:
– Utilizados para controlar a iteração do robô com o ambiente;
– Tipos:
• Visão computacional;
• Ultrasom;
• Infravermelho;
• Proximidade;
• Etc.
ClassificaClassificaççãoão dos dos sensoressensores
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• Encoder;
• Resolver;
• Potenciômetro;
• Capacitivo;
• Taco gerador;
• RVDT;
• Outros.
SensoresSensores de de posiposiççãoão e e velocidadevelocidade
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• Podem medir:
– Posição linear;
– Posição angular (rotativo);
• Podem ser:
– incremental ou absoluto;
• Características:
– baratos;
– simples;
– confiáveis;
– fácil de usar;
– alta resolução.
EncodersEncoders
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• Princípio de 
funcionamento.
� Exigem a 
zeragem do 
sistema antes da 
utilização.
Encoder incremental Encoder incremental rotativorotativo
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• Configuração com 
offset de sensor;
• Configuração com 
offset de disco.
Encoder incremental Encoder incremental rotativorotativo
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• Esquema físico
V- 4.75 a 30 V
Saída – 0,7 e 0,2 V (RS422)
Encoder incremental Encoder incremental rotativorotativo
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• Esquema do circuito
Encoder incremental Encoder incremental rotativorotativo
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• Esquema do sinal de saída.
1 3
2
4
Encoder incremental Encoder incremental rotativorotativo
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• Resolução:
• N = número de traços;
• 4 = quadratura do sinal.
• Encoders com resolução de até 1 segundo de arco →
1.296.000 traços.
N4
º360
=∆θ
Encoder incremental Encoder incremental rotativorotativo
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• Medição de velocidade:
– n número de contagem de subidas e descidas 
em um período T (segundos);
– N = número de traços do encoder;
– T = período de amsotragem.
– Resolução = 
)(graus/seg90
4
360
NT
n
NT
n
t
==
∆
θ∆
=ω
)(graus/seg 90
NT
Encoder incremental Encoder incremental rotativorotativo
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• Princípio de 
funcionamento.
� Não precisa 
“zerar” o sistema.
Encoder Encoder absolutoabsoluto rotativorotativo
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• Exemplo de funcionamento ⇒ encoder de 4 bits
1
2
3
4
......
1 1 0 067,5°
0 1 0 045°
1 0 0 022,5°
0 0 0 00°
bitsPosição angular
Encoder Encoder absolutoabsoluto rotativorotativo
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(graus) 
2
º360
na
=θ∆
• Resolução:
– n = número de bits:
• Podem utilizar “gray code” no lugar do código 
binário.
Encoder Encoder absolutoabsoluto rotativorotativo
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• Exemplos de discos de encoders:
Encoder Encoder rotativorotativo
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• Mesmo princípio de funcionamento dos encoders
rotativos;
• Podem ser incremental ou absoluto.
Encoder linearEncoder linear
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• Usado para medição de posição angular.
• Princípio de funcionamento ⇒ indução eletro-
magnética;
• Características:
– barato;
– alta resolução;
– simples;
– eletrônica sofisticada.
• Resolução típica dos resolvers é da ordem de 65.536 
contagens por volta;
ResolversResolvers
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• Princípio de funcionamento:
– Funciona como um transformador rotativo ⇒ possui enrolamento 
primário e secundário;
– Enrolamento secundário no estator é defasado de 90º;
– Bobina primária ligada ao rotor é excitada por uma corrente alternada;
– Bobinas do estator recebem o fluxo magnético da bobina do rotor 
girando e é induzida uma tensão nas mesmas;
– Tensão induzida no enrolamento do estator é em forma senoidal.
i Tensão induzida
ResolversResolvers
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• Princípio de funcionamento:
– O sinal de saída é senoidal ⇒
amplitude depende da posição 
angular do disco rotativo;
– Freqüência da onda varia com a 
velocidade ⇒ também mede 
velocidade de rotação;
– Saída analógica ⇒ saída é
geralmente convertida de analógica 
para digital (“resolver-to-digital”);
– Entrada: Vref;
– Saída:
• V1 =AVrefsenθ;
• V2 = AVrefcosθ.
ResolversResolvers
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• Medem simultaneamente 
força e torque; 
• Múltiplos eixos ⇒
sensores de até 6 eixos:
– Forças em x, y e z;
– Torques em x, y, e z;
• Tecnologias:
– Strain-gages;
– Piezoelétrico.
SensoresSensores de de forforççaa e torquee torque
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• Princípio de funcionamento:
– Elemento flexível ⇒ capaz de deformar nas 6 direções;
– Strain-gages medem deformações ⇒ força e torque são 
proporcionais às deformações.
SensoresSensores de de forforççaa e torquee torque
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• Sensor em geral é posicionado no punho do robô.
SensoresSensores de de forforççaa e torquee torque
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• Especificação de um encoder.
ExemplosExemplos
R2_Aspectos Gerais.pdf
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AspectosAspectos GeraisGerais
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• Quando utilizar robôs?
• Dados estatísticos;
• Conceitos gerais;
• Componentes de um robô manipulador industrial;
• Classificação dos robôs manipuladores industriais;
• Aplicações de robôs manipuladores industriais;
• Vídeos demonstrativos:
– Aplicações dos robôs industriais.
Aspectos gerais
ObjetivosObjetivos
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• Para a indústria moderna:
– Aumento de produtividade;
– Aumento da qualidade;
– Linha de produção flexível;
– Diminuição de custos.
Quando utilizar um robô?Quando utilizar um robô?
Aspectos gerais
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Linha de transferência
Manual
CNC
$/un
Tamanho do lote
• Para custo
⇒ Lotes pequenos com 
grande com variedade 
de peças.
Quando utilizar um robô?Quando utilizar um robô?
Aspectos gerais
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• População mundial de robôs industriais ⇒ 1,2 milhões 
no final de 2011;
• Brasil: cerca de 5500 unidades;
• Ceca de 50% estão alocados em indústrias 
automobilísticas;
• Maiores competidores:
– ABB;
– Fanuc;
– Kuka;
– Mitsubishi;
– Yaskawa (Motoman).
Dados estatDados estatíísticossticos
Aspectos gerais
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Dados estatDados estatíísticossticos
Aspectos gerais
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Dados estatDados estatíísticossticos
Aspectos gerais
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• Orientação e posição de um corpo no espaço:
– Posição ⇒ definida pela posição de um ponto arbitrário do 
corpo em relação a um sistema de coordenadas fixo no espaço;
– Orientação ⇒ definida pelos cossenos diretores dos eixos de 
um sistema de coordenadas fixo no corpo em relação a um 
sistema de coordenadas fixo no espaço;
– Pose ⇒ considera tanto a posição como a orientação do corpo.
• Cadeia cinemática:
– Conjunto de ligamentos unidos através de articulações 
definindo uma estrutura (mecanismo) com diversos 
movimentos.
Conceitos geraisConceitos gerais
Aspectos gerais
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• Graus de liberdade de um mecanismo: 
– O número de graus de liberdade é igual ao número de variáveis de posição 
independentes necessárias para localizar todas as partes do mecanismo;
– Número total de movimentos independentes que um dispositivo pode 
realizar;
– Robôs manipuladores de cadeia cinemática aberta ⇒ número de 
articulações motorizadas é igual ao número de graus de liberdade.
• Graus de liberdade do espaço de trabalho:
– Espaço tridimensional ⇒ 6 graus de liberdade. Um objeto livre no espaço 
pode deslocar-se em três direções e rodar em torno de três eixos.
– Plano ⇒ 3 graus de liberdade. Um objeto no plano pode deslocar-se em 
duas direções e rodar em torno de um eixo.
• Exemplo: graus de liberdade do braço humano.
Conceitos geraisConceitos gerais
Aspectos gerais
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• Efetuador:
– Ligamento terminal do robô, componente que realiza trabalho, 
podendo ser uma garra ou qualquer ferramenta.
• Volume de trabalho: 
– Conjunto de todos os pontos que podem ser alcançados pelo 
efetuador do robô;
– Diferentes definições de Volume de Trabalho conforme se 
considera a orientação do efetuador.
Conceitos geraisConceitos gerais
Aspectos gerais
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• Exatidão, repetibilidade e resolução:
– Exatidão: capacidade de posicionar em um ponto absoluto no 
espaço;
– Repetibilidade: capacidade de voltar a um ponto do espaço 
pré-determinado;
– Resolução: associada ao sistema de medida, é o menor 
incremento da variável que o sistema de medição pode 
perceber.
Conceitos geraisConceitos gerais
Aspectos gerais
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Ilustração de repetibilidade e exatidão ⇒ tiro ao alvo
Conceitos geraisConceitos gerais
Aspectos gerais
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• Estrutura mecânica:
– Elos ou ligamentos (estrutura);
– Articulações (rotação, translação, cilíndrica, universal, esférica); 
– Sistema de transmissão (engrenagens, fuso de esferas, correntes,
cabos, fitas de aço, redutores);
• Atuadores: hidráulicos, pneumáticos, elétricos.
• Sensores (posição, força, torque);
• Interface homem-máquina;
• Sistema de programação;
• Unidade de controle;
• Unidade de potência;
• Efetuadores: garras, ferramentas.
Componentes de um robô industrialComponentes de um robô industrial
Aspectos gerais
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• Quanto à geração tecnológica:
– 1ª geração: Seqüência de operação fixa;
– 2ª geração: Sensores e recursos computacionais;
– 3ª geração: “Inteligentes”.
• Quanto à presença do operador:
– Automáticos;
– Teleoperados (mestre – escravo).
• Quanto ao controle:
– Não-servo: malha aberta;
– Servo: malha fechada.
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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• Quanto ao tipo de cadeia cinemática:
– Seriado ou cadeia aberta: possui uma única cadeia cinemática 
aberta onde uma das pontas é fixa e a outra carrega o 
efetuador;
– Paralelo ou cadeia fechada: possui várias cadeias cinemáticas e 
seus ligamentos possuem uma das extremidades ligada à uma 
base fixa e a outra extremidade à uma plataforma móvel;
– Híbridos: combinação dos dois primeiros; 
– Arborescentes: as cadeias cinemáticas compartilham parte da 
estrutura, lembrando um tronco de uma árvore e seus galhos;
– Hiper-redundantes: são robôs seriados de muitos graus de 
liberdade.
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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Cadeia aberta
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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Cadeia fechada
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
Cadeia fechada
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Híbrido
Hiper-redundante
 
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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Cadeia arborescente
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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• Quanto à estrutura cinemática dos 3 primeiros GL:
– Cartesiano (PPP);
– Cilíndrico (PPR);
– Esférico (PRR);
– Articulado (antropomórfico) (RRR);
– Articulado com mecanismo de 5 barras;
– SCARA (RRP);
– Robô para paletização.
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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Cartesiano
Cilíndrico
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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Articulado RRR
Articulado com 
mecanismo de 5 barras
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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SCARA
Esférico
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
• Robô para paletização:
– Específico para tarefas de 
paletização;
– Efetuador sempre voltado para 
baixo;
– Dois mecanismos de cadeia 
fechada entrelaçados.
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• Comparação dos volumes de trabalho:
– Admitindo-se todas as articulações prismáticas varrendo L e as de 
rotação varrendo 360º.
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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• Movimentação:
– Manipulação de materiais;
– Paletização;
• Processamento:
– Soldagem a ponto e a arco;
– Corte de materiais;
– Fixação de circuitos integrados;
– Montagem;
– Acabamento superficial;
– Limpeza;
– Colagem;
– Pintura;
• Controle de qualidade.
ClassificaClassificaçção dos robôs industriaisão dos robôs industriais
Aspectos gerais
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• Tarefa a ser executada;
• Número de graus de liberdade;
• Volume de trabalho; 
• Carga útil (capacidade de carga);
• Precisão (repetibilidade, acuracidade, resolução);
• Velocidade (garra → 1,5 a 2,0 m/s);
• Formas de programação;
• Ambiente;
• Tipo de atuador;
• Ferramenta de trabalho;
• Custo.
Aspectos gerais
SeleSeleçção de um robô industrialão de um robô industrial
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• Caracterização de um robô:
– Classificação quanto ao tipo de estrutura cinemática;
– Graus de liberdade;
– Volume de trabalho (fazer esquema geométrico); 
– Repetibilidade;
– Capacidade de carga;
– Torque e potência nos eixos em velocidade constante.
• Caracterizar o robô KUKA do laboratório quanto a 
esses quesitos.
Aspectos gerais
ExemploExemplo
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• Classificação quanto à estrutura mecânica: Articulado RRR.
• Graus de liberdade: 6.
• Envelope de trabalho em termos de ângulo de juntas:
– J1: 330°; J2: 210°; J3: 299°;
– J4: 380°; J5: 280°; J6: 640°.
• Repetibilidade = ± 0,1 mm.
• Capacidade de carga = 6 Kgf no punho.
• Torque e potência nos eixos em velocidade constante:
– T4 = 15.7 N.m
– T5 = 9,8 N.m
– T6 = 5,9 N.m
– N4 = 15,7 N.m . 6,28 rad/s = 98,6 W
– N5 = 9,8 N.m . 6,28 rad/s = 61,5 W
– N6 = 5,9 N.m . 7,85 rad/s = 46,3 W
Aspectos gerais
ExemploExemplo
R3_Cadeia cinematica.pdf
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PMR2560 PMR2560 –– RobRobóóticatica
CadeiaCadeia CinemCinemááticatica
Eduardo L. L. Cabral
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ObjetivosObjetivos
• Cadeia cinemática:
– Graus de liberdade;
– Exemplos de robôs com cadeias seriada e fechada.
• Articulações:
– Rotação;
– Translação;
– Universal;
– Esférica;
– Cilíndrica;
– Exemplo construtivo.
• Punho esférico.
Cadeia cinemática
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Cadeia cinemCadeia cinemááticatica
• Graus de liberdade (GL):
– Cadeia aberta ⇒ número de GL é igual ao número de 
articulações ativas;
– Cadeia fechada ⇒ número de GL depende da configuração 
geométrica e do número de articulações passivas e ativas.
Quantos GL tem esse robô?
Cadeia cinemática
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Cadeia cinemCadeia cinemááticatica
• Número de GL de um robô de cadeia fechada ⇒ está
relacionado com a sua configuração cinemática:
– λ = número de movimentos independentes que um corpo sem 
qualquer vínculo pode executar dentro do seu espaço de trabalho 
(graus de liberdade do espaço de trabalho);
– F = mobilidade ou número de graus de liberdade do mecanismo 
(número de movimentos independentes do efetuador);
– m = número de cadeias cinemáticas ativas;
– Ck = conectividade da cadeia cinemática k (número de movimentos 
passivos e ativos que o mecanismo pode executar).
( ) ∑
=
=++=−+
m
k
km CCCCλFλ
1
21 ......1
Cadeia cinemática
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Cadeia cinemCadeia cinemááticatica
• Outra relação que também fornece o número de GL de um 
robô de cadeia fechada:
– λ = número de graus de liberdade do espaço de trabalho;
– F = mobilidade ou número de graus de liberdade do mecanismo 
(número de movimentos independentes do efetuador);
– nL = número de ligamentos; 
– nA = número de articulações;
– fi = número de graus de liberdade da articulação i.
� Relações limitadas⇒ fornecem somente o número de GL, 
mas não definem os tipos de movimentos.
∑
=
+−−=
An
i
iAL fnnλF
1
)1(
Cadeia cinemática
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Cadeia cinemCadeia cinemááticatica
• Robôs seriados: 
Robô articulado 6R
Robô SCARA 2R1PR
Robô P5R
Robô cartesiano 3P1R
Robô paletizador 3R
Cadeia cinemática
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Cadeia cinemCadeia cinemááticatica
• Robôs paralelos: 
Hexa 6-RUS
Hexaglide 6-PUS
Quattro – Delta
2-RUS + 2-RUU
Flex Picker
3-RUU
Hexapod 6-SPU
Cadeia cinemática
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• Cadeia fechada X cadeia aberta
AltaBaixaVelocidade / Aceleração
Simuladores, usinagem, 
posicionamento de precisão, 
pick-and-place
Soldagem, montagem, 
pintura, manuseio de 
materiais
Aplicações Típicas
Complexa, múltiplas
soluções
Simples, solução únicaCinem. / Din. Direta
Simples, múltiplas soluçõesComplexa, múltiplas
soluções
Cinem. / Din. Inversa
TemPoucas ou nenhumaJuntas Passivas
AltaBaixaPrecisão do Efetuador
AltaBaixaCapacidade de Carga
PequenoGrandeVolume de Trabalho
Arquitetura ParalelaArquitetura SeriadaItem
Cadeia cinemCadeia cinemááticatica
Cadeia cinemática
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ArticulaArticulaççõesões
• Características desejadas:
– Alta rigidez;
– Alta precisão;
– Sem folga;
– Alta qualidade de movimento;
• Baixa flutuação de velocidade;
• Baixo nível de vibração.
• Alta rigidez ⇒ não introduzir erros adicionais de 
posicionamento provocados por deformação mecânica.
• Articulações passivas e ativas:
– Robôs seriados ⇒ somente articulações ativas (atuadas);
– Robôs paralelos ⇒ possuem articulações passivas e ativas.
Cadeia cinemática
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ArticulaArticulaççõesões
• Tipos de articulações dos robôs industriais:
– Rotação – 1 GL (R);
– Translação ou prismática – 1 GL (P);
– Universal – 2 GL (U);
– Esférica – 3 GL (S);
– Cilíndrica – 2 GL (C).
• Articulações universal, esférica e cilíndrica: 
– Somente nos robôs de cadeia fechada;
– Em geral são articulações passivas.
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ArticulaArticulaççõesões
Prismática
Esférica
Universal
Rotação
Cilíndrica
Cadeia cinemática
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ArticulaArticulaççõesões
• Acionamento:
– Direto ⇒ elemento móvel do atuador é acoplado à junta
diretamente.
– Indireto ⇒ elemento móvel do atuador é acoplado à junta mediante um 
sistema de transmissão.
• Motores elétricos são normalmente usados com atuação 
indireta:
– Possuem alta velocidade e baixo torque;
– São exceções os motores de passo e os chamados motores “direct-
drive”;
– Motores “direct-drive” têm uma concepção especial e permitem altos 
torques e baixas rotações.
• Cilíndros hidráulicos e pneumáticos são usados com atuação 
direta.
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ArticulaArticulaççõesões
• Exemplo construtivo:
– Arranjo para eliminação de 
folgas radiais ⇒ eixos com 
apoio duplo de rolamentos 
de rolos cônicos ou de 
esferas com contato 
angular, com pré-carga.
Cadeia cinemática
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Punho esfPunho esfééricorico
• Robôs manipuladores industriais (robôs seriados):
– Grande maioria são do tipo articulado (RRR);
– Posição e orientação do efetuador são desacoplados;
– Três primeiros GL posicionam o efetuador;
– Três últimos GL orientam o efetuador.
• Utilizam mecanismo especial para orientar o efetuador
⇒ punho esférico.
• Punho esférico:
– 3 articulações de rotação;
– Disposição característica⇒ 3 eixos perpendiculares entre si;
– Ângulos de “roll-pitch-yaw”.
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Punho esfPunho esfééricorico
Cadeia cinemática
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Punho esfPunho esfééricorico
� Roll ⇒ rotação em x;
� Ptich⇒ rotação em y;
� Yaw ⇒ rotação em z.
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Punho esfPunho esfééricorico
• Possível forma construtiva:
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ExemplosExemplos
1) Quais os movimentos do efetuador e quantos graus de 
liberdade têm os seguintes robôs de cadeia cinemática 
fechada?
a) 6-RUS 
b) 6-PUS
c) 6-SPU
d) 3-RUS
e) 2-RUS + 2-RUU
2) Defina uma configuração cinemática para um robô de cadeia 
cinemática fechada com 3 graus de liberdade de translação.
3) Defina uma configuração cinemática para um robô de cadeia 
cinemática fechada com 3 graus de liberdade de rotação.
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Exemplos soluExemplos soluççãoão
1) Quais os movimentos do efetuador e quantos graus de liberdade têm 
os seguintes robôs de cadeia cinemática fechada?
a) 6-RUS (6GL)
b) 6-PUS (6GL)
c) 6-SPU (6GL)
d) 3-RUS (3GL – 3 translações)
e) 2-RUS + 2-RUU (4GL – 3 translações e 1 rotação) 
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Exemplos soluExemplos soluççãoão
2) Defina uma configuração cinemática para um robô de cadeia 
cinemática fechada com 3 graus de liberdade de translação.
3-UPU, 3-RUU, 3-PUU, 3-RPC, 3-CRR
3) Defina uma configuração cinemática para um robô de cadeia 
cinemática fechada com 3 graus de liberdade de rotação.
???????????
Cadeia cinemática
R4_Estrutura Mecanica.pdf
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PMR2560 PMR2560 –– RobRobóóticatica
EstruturaEstrutura MecânicaMecânica
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• Estrutura mecânica - ligamentos:
– Características;
– Materiais utilizados;
– Balanceamento:
• Estático (contra-peso, mecanismo de 5 barras);
• Dinâmico.
ObjetivosObjetivos
Estrutura mecânica
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• Características desejadas:
– Alta rigidez ⇒ repetibilidade;
(equacionar)
– Alta resistência mecânica;
– Baixo peso;
– Alta relação rigidez/peso (equacionar);
– Alta relação resistência/peso
(equacionar);
– Alta relação rigidez/inércia;
– Alta relação resistência/inércia;
– Baixo custo. 
Estrutura mecânica
LigamentosLigamentos
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• Materiais utilizados:
– Aço ⇒ baixa relação rigidez/peso;
– Ferro Fundido ⇒ baixa relação rigidez/peso;
– Liga de Alumínio ⇒ melhor compromisso;
– Material composto (fibra de carbono) ⇒ melhores 
características físicas, porém tem alto custo;
– Tabela comparativa de materiais.
Estrutura mecânica
LigamentosLigamentos
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Tabela de propriedades mecânicas dos materiais
133,333,31,520050Composto 
Carbono
71,421,40,75015Madeira
20,014,26,012085Ligas Zinco
64,423,09,0580207Ligas Níquel
50,037,011,0550407Ligas Tungstênio
117,022,84,7550107Ligas Titânio
27,812,29,0250110Ligas Cobre
94,431,52,725585Ligas Alumínio
57,726,57,8450207Aço
σσσσmax/ρρρρE/ρρρρρρρρ (g/cm3)σσσσmax (MPa)E (GPa)Material
Estrutura mecânica
LigamentosLigamentos
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Módulo de elasticidade versus densidade
Estrutura mecânica
LigamentosLigamentos
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Máxima tensão versus densidade
Estrutura mecânica
LigamentosLigamentos
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• Para que balancear?
– Reduzir esforços gravitacionais ⇒ diminuir potência e 
custo do atuadores: 
⇒ Mecanismos especiais adaptados na estrutura para 
reduzir peso visto pelos atuadores.
• Balanceamento estático:
– Contra-pesos;
– Uso de pistões e molas;
– Mecanismo de 5 barras.
• Balanceamento dinâmico.
Estrutura mecânica
BalanceamentoBalanceamento
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• Balanceamento estático com contra-pesos:
– Somente para ligamentos com articulações de rotação.
– Escolha da massa e posição do contra-peso para localizar a 
posição do centro de massa do ligamento no eixo da 
articulação ⇒ CM no eixo da articulação elimina o torque 
devido à gravidade.
– Vantagens:
• Equacionamento relativamente simples;
• sistema totalmente passivo.
– Apresenta algumas limitações:
• Pode provocar aumento do torque gravitacional em outros 
atuadores;
• Nem sempre é possível eliminar o torque gravitacional de todos 
os atuadores de um robô;
• Contra-peso elimina o troque gravitacional mas aumenta a 
inércia do ligamento.
Estrutura mecânica
Balanceamento estBalanceamento estááticotico
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• Balanceamento estático com contra-pesos:
– Nos robôs industriais ⇒ motores elétricos sempre 
são usados com redutores de velocidade.
– A inércia de um sistema vista pelo eixo de entrada 
do redutor é N2 vezes menor do que a inércia do 
sistema vista pelo eixo de saída do redutor 
(Equacionar).
– Em um sistema de redução de velocidades tem-se 
que:
• O torque devido à gravidade visto pelo eixo do motor 
diminui com a relação de redução;
• A inércia vista pelo eixo do motor diminui com o 
quadrado da relação de redução.
• (Equacionar)
� É vantagem aumentar a inércia do sistema para 
se obter uma redução no torque gravitacional.
Estrutura mecânica
Balanceamento estBalanceamento estááticotico
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• Balanceamento estático com molas ou pistões:
– Somente para ligamentos com articulações de 
rotação.
– Realizado pela escolha correta da rigidez da mola e 
dos pontos de fixação da mola no ligamento.
– Equacionamento não tão simples (equacionar).
– Vantagens e desvantagens:
• Não aumenta massa nem inércia; 
• Nem sempre é possível eliminar o torque gravitacional 
de todos os atuadores
de um robô;
• Altamente eficiente;
• Molas ⇒ sistema passivo;
• Pistões ⇒ sistema não passivo.
� Robôs articulados atuais de alta capacidade de 
carga são balanceados com contrapeso e pistão.
Estrutura mecânica
Balanceamento estBalanceamento estááticotico
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Balanceamento estBalanceamento estááticotico
• Balanceamento estático com molas ou pistões.
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• Balanceamento estático com 
mecanismo de 5 barras:
– Em geral não é possível eliminar o 
torque gravitacional visto por todos 
os atuadores de um robô.
– Mecanismo de 5 barras 
⇒ permite balanceamento estático 
quase que completo de um braço 
robótico.
– Mecanismo de 5 barras paralelas.
Estrutura mecânica
Balanceamento estBalanceamento estááticotico
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• Balanceamento estático com 
mecanismo de 5 barras:
– Vantagens e desvantagens:
• Motores ficam na base:
⇒Diminuição do peso dos 
ligamentos;
⇒Não necessita de sistema de 
transmissão de movimento;
• Fácil de balancear ⇒ uso de 
contra-pesos;
• Causa limitação de 
movimento das articulações.
Estrutura mecânica
Balanceamento estBalanceamento estááticotico
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• Vantagens e desvantagens:
– Dinâmica do robô se torna linear e invariante no tempo;
– Desacoplamento da dinâmica de todos os ligamentos.
– Menor carga nos atuadores;
– Maior facilidade de controle;
– Exige eixos de articulações consecutivas perpendiculares 
entre sí:
– Limitação no volume de trabalho;
– Configuração cinemática nem sempre desejável.
• Complicado de ser realizado.
• Robôs industriais não utilizam.
Estrutura mecânica
Balanceamento dinâmicoBalanceamento dinâmico
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1) O posicionamento de uma peça em um processo produtivo automatizado é realizado 
por um manipulador robótico, com três graus de liberdade: rotação (θ) do corpo em 
relação a base, translação vertical (v) do braço e translação horizontal (u) do braço, 
tal qual mostrado na figura. Considere que os deslocamentos correspondentes aos 
graus de liberdade sejam definidos nos seguintes intervalos: 0º≤ θ ≤ 360º; 0,2 m ≤ v ≤
1,2 m e 0,2 m ≤ u ≤ 0,8 m.
Pede-se:
a) Faça um esboço do envelope de trabalho do 
manipulador, ou seja, do volume 
correspondente ao lugar geométrico dos 
pontos possíveis de serem atingidos pela 
garra;
b) Admita que a peça pese no máximo 6 Kg. 
Quais esforços solicitantes estariam 
presentes no braço e no corpo, na condição 
de u e v máximos ? Faça as hipóteses de 
julgar necessárias.
c) Sob que condições de movimentação do 
manipulador, o dimensionamento do braço 
deve considerar os efeitos inerciais ?
Estrutura mecânica
ExemplosExemplos
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2) O conceito de rigidez é um dos mais importantes em projeto de 
manipuladores. A esse respeito, responda ao solicitado abaixo.
a) Explique em poucas palavras o que é rigidez
b) Quais fatores determinam a rigidez de um componente mecânico
c) Entre os perfis apresentados abaixo, qual você escolheria como o mais 
adequado à estrutura de robô manipulador de médio porte que será
submetido a carregamentos combinados de flexão e torção, variáveis em 
intensidade e direção, de modo que o mesmo possa ter rigidez 
satisfatória com um peso relativamente reduzido ? Justifique sua 
resposta.
Estrutura mecânica
ExemplosExemplos
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3) Um robô de duas articulações de revolução no plano apresenta as 
seguintes características funcionais: carga máxima 50kg; comprimento de 
cada ligamento 500mm; não considerando o motor e o redutor, o centro 
de gravidade de cada ligamento está localizado no seu centro geométrico; 
os motores e os redutores de velocidade estão localizados diretamente 
nas articulações do robô e a massa de cada conjunto é 5kg; a massa do 
primeiro ligamento é de 60kg e do segundo ligamento 40kg. Pede-se:
a) Faça o balanceamento estático da segunda articulação do robô 
utilizando contra-pesos. Forneça a posição e a massa do contrapeso 
de forma a cancelar o esforço gravitacional para o robô manipulando a 
carga máxima.
b) Faça o balanceamento estático da primeira articulação do robô 
utilizando mola. Forneça a posição de fixação da mola na base e no 
robô e a rigidez da mola para o robô manipulando a carga máxima
Estrutura mecânica
ExemplosExemplos
R5_Efetuadores e atuadores.pdf
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PMR2560 PMR2560 –– RobRobóóticatica
EfetuadoresEfetuadores e e AtuadoresAtuadores
Eduardo L. L. Cabral
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ObjetivosObjetivos
• Efetuadores:
– Tipos principais;
– Exemplos.
• Atuadores:
– Requisitos;
– Tipos principais:
• Elétricos;
• Hidráulicos;
• Pneumáticos.
– Comparação entre os tipos de atuadores.
Efetuadores e 
atuadores
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• Definição:
– Componente que promove a interação entre a extremidade terminal do 
manipulador e o objeto a ser trabalhado;
– Nome genérico utilizado para denominar a ferramenta que o robô utiliza 
para realizar a tarefa para qual foi designado;
– O efetuador é fixado ao último ligamento do robô, tornando-se parte 
integrante desse ligamento. 
• Tipos de efetuadores:
– Ferramenta:
• Porta-eletrodo;
• Pistola de aspersão;
• Pistola de pintura;
• Ferramenta de solda;
• Maçarico;
• etc.
– Garra ⇒ função segurar objetos.
EfetuadoresEfetuadores
Efetuadores e 
atuadores
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• Garras de dedos rígidos:
– É o tipo mais comum;
– Tem grande variedade de 
forma ⇒ diferenciados pelo 
tamanho e/ou movimento dos 
dedos;
– Dedos com movimento 
paralelo ou de rotação;
– Desvantagem ⇒ limitação da 
abertura dos dedos, não serve 
para grandes objetos.
Efetuadores e 
atuadores
Tipos de garrasTipos de garras
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• Garras com dedos articulados:
– Projetadas para agarrar objetos de 
diferentes tamanhos e formas; 
– Os dedos são articulados e formado 
por diversos vínculos;
– Sua destreza em segurar objetos de 
formas irregulares e tamanhos 
diferentes se deve ao grande número 
de vínculo;
– Podem ter dois ou mais dedos;
– Os vínculos são movimentados por 
pares de cabos, onde um cabo 
flexiona a articulação e o outro a 
estende. 
Efetuadores e 
atuadores
Tipos de garrasTipos de garras
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• Garra para objetos cilíndricos:
– Consiste de dois dedos com vários semicírculos 
chanfrados;
– Permite segurar objetos cilíndricos de vários 
diâmetros diferentes.
• Garra para objetos frágeis:
– Exercem força controlada durante a operação de 
segurar algum objeto;
– Não causam dano ao objeto;
– Formada por dedos flexíveis ⇒ dedos se curvam 
de forma a agarrar um objeto frágil;
– Podem ter controle ativo da pressão de contato 
com o objeto ⇒ mas para isso exige sensor de 
pressão.
Efetuadores e 
atuadores
Tipos de garrasTipos de garras
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• Garras a vácuo:
– Garras a vácuo são projetados para prender uma 
superfície lisa pela ação do vácuo;
– Possuem ventosas de sucção conectadas a uma 
bomba de ar
comprimido;
– Sevem para superfícies tipo chapas metálicas e 
caixas de papelão;
– Para reduzir o risco de mal funcionamento devido a 
perda de vácuo é comum usar mais do que uma 
ventosa de sucção. 
• Garras eletromagnéticas:
– São utilizadas para segurar objetos que podem ser 
magnetizados (aço e níquel) através de um campo 
magnético;
• São muito eficientes:
– Podem segurar objetos de vários tamanhos;
– Não necessitam de grande precisão no 
posicionamento da garra. 
Efetuadores e 
atuadores
Tipos de garrasTipos de garras
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atuadores
Tipos de garrasTipos de garras
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• Desenvolvimento e fabricação de efetuadores é um 
estágio importante na instalação de robôs na indústria:
– Robôs são vendidos sem efetuador;
– Os efetuadores são definidos e projetados pela equipe de 
engenharia que instala o robô;
– Estágio crítico da instalação ⇒ requer alto nível de 
conhecimento, experiência e criatividade.
Efetuadores e 
atuadores
EfetuadoresEfetuadores
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• Adaptador automático de ferrramenta:
– Dispositivo para troca rápida de ferramenta pelo robô; 
– Surgiu da necessidade do robô realizar diferentes procedimentos 
para executar uma tarefa;
– Restrições:
• Adaptador deve ser estar fixo ao braço do robô e deve ter conexões 
elétrica, mecânica ou pneumática quando necessário;
• Adiciona peso na extremidade do braço do robô; 
• Aumenta o custo do robô; 
• Tempo gasto na troca das garras. 
Efetuadores e 
atuadores
EfetuadoresEfetuadores
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• Requisitos desejados:
– Alta capacidade de carga (estática e dinâmica) ⇒ procura-se alta 
relação capacidade de carga/peso;
– Alta rigidez ⇒ procura-se alta relação rigidez/peso (dedução de 
aumento da rigidez com a redução);
– Baixa inércia ⇒ procura-se baixa relação inércia/capacidade de carga;
– Alta qualidade de movimento (baixa vibração e baixa flutuação de 
velocidade);
– Adequação à limitações físicas (baixo peso, volume compacto etc);
– Pequena limitação de movimento;
– Facilidade de controle;
– Velocidade e aceleração adequadas;
– Características especiais (a prova de explosão, a prova de água etc);
– Baixo custo.
Efetuadores e 
atuadores
AtuadoresAtuadores
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• Elétrico:
– Utilizado na forma de acionamento indireto da articulação;
– Mais comum é o uso de motores rotativos.
• Pneumático:
– Motores e pistões;
– Na robótica é usado na forma de pistão;
– Utilizado na forma de acionamento direto da articulação.
• Hidráulico:
– Motores e pistões;
– Na robótica é usado na forma de pistão;
– Utilizado na forma de acionamento direto da articulação.
Efetuadores e 
atuadores
Tipos de atuadoresTipos de atuadores
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MédioBaixoBaixaAltaAltaHidráulico
BaixoMédioBaixaBaixaMédiaPneumático
AltoAltoAltaBaixaPequena/MédiaElétrico
Qualidade 
de 
movimento
Tamanho (Peso-
Volume)Inércia
Rigidez (sem 
transmissão)
Capacidade 
de cargaTipo
Efetuadores e 
atuadores
ComparaComparaçção dos atuadoresão dos atuadores
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AltaBaixaBaixíssimaRelação inércia/carga
Baixíssima 
(sem transmissão)MédiaAltíssimaRelação rigidez/peso
Baixa
(sem transmissão)AltaAltíssimaRelação carga/peso
ElétricoPneumáticoHidráulicoCaracterística
Efetuadores e 
atuadores
ComparaComparaçção dos atuadoresão dos atuadores
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AltoBoa com uso de 
servo-válvulasMédiaAlta
Alta limitação 
(pistão)
Hidráulico
Baixo
Média com uso 
de válvulas 
proporcionais
AltaBaixaAlta limitação (pistão)Pneumático
MédioAltaAlta
Média/Alta 
(limitada pela 
transmissão)
Sem limitaçãoElétrico
CustoFacilidade de ControleVelocidadeRepetibilidade
Limitação de 
movimentoTipo
Efetuadores e 
atuadores
ComparaComparaçção dos atuadoresão dos atuadores
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• Elétricos:
– Quando é necessário 
repetibilidade;
– Fácil de ser controlado e boa 
qualidade de movimento;
– Sem limitação de movimento;
– Limpos e silenciosos;
– Baixíssima rigidez e 
capacidade de carga ⇒ exige 
uso de redutor;
– Alto peso e alta inércia.
Efetuadores e 
atuadores
UtilizaUtilizaçção dos atuadoresão dos atuadores
• Hidráulicos:
– Quando carga é muito alta;
– Alta rigidez, alta capacidade de 
carga, baixa inércia e baixo peso;
– Grande limitação de movimento;
– Perigosos;
– Custo muito alto.
• Pneumáticos:
– Quando não se exige 
repetibilidade;
– Dificuldade de controle e baixa 
qualidade de movimento;
– Grande limitação de movimento;
– Baixo custo;
– Barulhentos.
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1) Dada uma peça com formato de paralelepípedo e de massa 10 kg, deseja-se pegar 
essa peça com uma garra. A garra tem dois dedos e o movimento deles é paralelo. 
Qual deve ser a força mínima de aperto dos dedos da garra para que a peça não caia 
ao ler levantada pelo robô?
Dados: g = 10 m/s2 e µ = 0,2 (coeficiente de atrito entre a peça e os dedos da garra).
2) Que tipo de atuador você utilizaria nos casos abaixo (elétrico, hidráulico ou 
pneumático)? Justifique.
a) Impressora janto de tinta com 600 pontos por polegada de resolução e 10 páginas por 
minuto.
b) Prensa para forjamento automática, capacidade de carga de 500 MN e potência de 
500 kW
c) Torno CNC didático com velocidade de posicionamento rápido de 2,5 m/min, e 
rotação do eixo árvore de 4000 rpm, potência de 500 W e repetibilidade de 50 µm.
d) Torno CNC industrial com velocidade de posicionamento rápido de 25 m/min, e 
rotação do eixo árvore de 10000 rpm, potência de 15 kW e repetibilidade de 5 µm.
e) Garra de dupla ação com dois dedos, com força de preensão de 500 N.
f) Sistema para fechamento de garrafas, com resolução de 0,1 mm.
Efetuadores e 
atuadores
ExercExercíícioscios
R6_Motores elétricos.pdf
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PMR2560 PMR2560 –– RobRobóóticatica
Motores ElMotores Eléétricostricos
Eduardo L. L. Cabral
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• Motores elétricos: 
– Servo motores;
– Tipos de motores;
– Exemplo de dimensionamento;
– Comparação entre os tipos de motores;
– Exemplo.
ObjetivosObjetivos
Motores elétricos
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• Na robótica industrial ⇒ utilizam-se servo motores.
• Definição de servo motor:
– São atuadores eletromagnéticos de alta qualidade que:
• Apresentam resposta dinâmica rápida;
• Em geral apresentam altas velocidades e acelerações;
• Possuem relação tensão x velocidade linear;
• Possuem relação torque x rotação linear;
• Apresentam facilidade de serem controlados com precisão. 
– O termo “servo” vem do latim, “servus”, que significa, escravo.
Motores elétricos
Servo motoresServo motores
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Servo motor
c/escovas s/escovas
Motor DC Motor DC Motor AC Motor de passo
Ímã permanente Ímã permanente, 
síncrono
Assíncrono, com gaiola
Tipos de servo-motores
Motores elétricos
Servo motoresServo motores
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• Tipos de
motores elétricos mais usados nos robôs 
industriais:
– Motor de passo;
– Motor de corrente contínua com escovas;
– Motor de corrente contínua com imã permanente sem 
escovas;
– Motor de corrente alternada com imã permanente sem 
escovas;
– Motor “Direct-Drive” (corrente contínua sem escovas ou 
corrente alternada de imã permanente).
Motores elétricos
Tipos de motoresTipos de motores
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• Muito atraente para uso em robôs que não exigem 
grandes esforços e muita qualidade de movimento.
• Vantagens:
– Boa repetibilidade;
– Fáceis de usar;
– Interface simples e compatível com micro-processadores;
– Acionado através de pulos ⇒ cada pulso faz girar um 
determinado e fixo ângulo;
– Pode operar em malha aberta com acuracidade de ± 1 passo⇒
não exige sensor de posição;
– Baixo custo.
Motores elétricos
Motor de passoMotor de passo
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• Desvantagens:
– Baixo torque em movimento;
– Alto peso ⇒ baixa relação torque/peso;
– Alta inércia ⇒ baixa relação torqueinércia;
– Baixa qualidade de movimento;
– Baixas velocidades de rotação.
• Utilizado em aplicações que:
– Não exigem grandes esforços;
– Não exigem alta qualidade de movimento;
– Exigem alta repetibilidade.
Motores elétricos
Motor de passoMotor de passo
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• Figura ⇒ motor de passo com 4 pólos magnéticos 
dispostos em torno de um rotor central com 
25 dentes.
• Dentes do rotor tem espaçamento ligeiramente 
menor que dentes do estator ⇒ garante 
que os dois conjuntos de dentes nunca ficam
totalmente alinhados evitando travamento do 
motor.
• Movimento é obtido quando uma corrente 
elétrica é aplicada sucessivamente, em pequenos 
intervalos de tempo, pelos pólos magnéticos. 
• Quando os pares de dentes estão desalinhados o pulso 
eletromagnético causa o alinhamento e a consequente rotação.
Motores elétricos
Motor de passoMotor de passo
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• Funcionamento:
O eletroímã (1) é acionado atraindo os quatro dentes do rotor 
mais próximos desse pólo.
Motores elétricos
Motor de passoMotor de passo
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• Funcionamento:
O eletroímã (1) é desligado e o eletroímã (2) da direita é
acionado, atraindo os dentes do rotor mais a direita ⇒ resultando 
no caso em um rotação de 3,6o.
Motores elétricos
Motor de passoMotor de passo
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• Funcionamento:
O eletroímã (3) é desligado e o eletroímã da esquerda (4) é
acionado, causando mais 3,6o de rotação. 
Quando o eletroímã 
superior for acionado 
novamente, o rotor 
terá girado de um 
dente de posição ⇒
como existem 25 
dentes, levará 100 
passos
para o rotor girar 
uma volta
completa.
Motores elétricos
Motor de passoMotor de passo
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• Muito atraentes para uso em robôs que não exigem alto 
desempenho.
• Vantagens:
– Simples ⇒ tecnologia muito conhecida;
– Inúmeros fabricantes e modelos ⇒ muitos modelos de moto-
redutor (redutor já acoplado ao motor);
– Existem motores com praticamente qualquer torque-velocidade-
potência;
– Podem ter altas velocidades de rotação;
– Baixíssimo custo;
– Fácil de controlar com precisão.
Motores elétricos
Motor de corrente contMotor de corrente contíínua com escovasnua com escovas
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• Desvantagens:
– Alta inércia ⇒ baixa relação torque/inércia;
– Alto peso ⇒ baixa relação torque/peso;
– Desgaste das escovas;
– Exige controle com realimentação ⇒ acionador com 
controlador;
– Exige sensor de velocidade/posição angular.
• Utilizado em aplicações que:
– Não exigem altas velocidades e acelerações ;
– Não exigem compacticidade (peso e volume);
– Exigem alta repetibilidade.
Motores elétricos
Motor de corrente contMotor de corrente contíínua com escovasnua com escovas
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• Principais componentes de um motor cc com escovas:
– Pólos magnéticos sul e norte⇒ em geral feitos de material 
ferroso magnético, formando tradicionalmente o estator do 
motor, pode ser um imã permanente ou eletroímã;
– Rotor ⇒ cilindro de material ferroso que gira dentro do estator, 
possui um grande número de enrolamentos feitos de fios 
condutores;
– Comutador ⇒ gira com o rotor e consiste de contatos de cobre 
conectados nos terminais dos enrolamentos do rotor;
– Escovas ⇒ são fixas na carcaça do motor e fazem contato 
com o comutador em rotação. Levam corrente contínua para os 
enrolamentos do rotor.
Motores elétricos
Motor de corrente contMotor de corrente contíínua com escovasnua com escovas
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Comutador
Estator
Escovas
Armadura
Motores elétricos
Motor de corrente contMotor de corrente contíínua com escovasnua com escovas
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• Um motor cc de escovas possui um rotor rotativo com 
eletroímã e um estator com imã permanente ou um eletroímã.
• O comutador reverte a direção da corrente elétrica nos 
enrolamentos do rotor algumas vezes durante uma volta do 
rotor, fazendo com que os pólos do eletroímã do rotor sejam 
atraídos e repelidos pelos pólos dos imãs do estator. 
• Quando os pólos do rotor passam pelos pólos do estator, o 
comutador reverte a polaridade do eletroímã do rotor.
• Durante a mudança de polaridade a inércia do rotor mantém o 
rotor girando na mesma direção.
Motores elétricos
Motor de corrente contMotor de corrente contíínua com escovasnua com escovas
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• Funcionamento:
Quando os enrolamentos do rotor são energizados, um campo 
magnético é gerado. O lado direito do rotor é repelido pelo imã da 
armadura e gira para a direita, causando rotação.
Motores elétricos
Motor de corrente contMotor de corrente contíínua com escovasnua com escovas
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• Funcionamento:
O rotor continua a girar.
Motores elétricos
Motor de corrente contMotor de corrente contíínua com escovasnua com escovas
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• Funcionamento:
Quando o rotor fica na horizontal, o comutador reverte a direção da 
corrente que passa através do enrolamento do rotor, revertendo o 
campo magnético. O processo então se repete.
Motores elétricos
Motor de corrente contMotor de corrente contíínua com escovasnua com escovas
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• Tipo de motor elétrico mais eficiente.
• Vantagens:
– Baixo peso e pequeno volume;
– Baixa inércia ⇒ alta relação torque/inércia;
– Alto torque ⇒ alta relação torque/peso;
– Inúmeros fabricantes e modelos ⇒ muitos modelos de moto-
redutor (redutor já acoplado ao motor) ⇒ existem motores com 
praticamente qualquer torque-velocidade-potência;
– Atingem altas velocidades e acelerações;
– Controle pela comutação eletrônica das fases ⇒ eliminação das 
escovas ⇒ alta durabilidade;
– Alta eficiência;
Motores elétricos
Motor de imã permanente sem escovasMotor de imã permanente sem escovas
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• Desvantagens:
– Exige controle com realimentação ⇒ acionador com controlador;
– Exige sensor de velocidade/posição angular;
– Acionador com eletrônica sofisticada.
– Motor e acionador tem alto
custo.
• Utilizado em aplicações que:
– Que exigem altas velocidades e acelerações (alto desempenho);
– Que exigem compacticidade (peso e volume);
– Exigem alto torque aliado a baixo peso e baixa inércia;
– Exigem alta repetibilidade.
� Motor mais utilizado nos robôs industriais.
Motores elétricos
Motor de imã permanente sem escovasMotor de imã permanente sem escovas
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• Rotor:
– Imãs permanentes;
– Uso de materiais não ferromagnéticos (resina, fibra de vidro);
– Eliminação das bobinas do rotor para geração do campo 
magnético.
– Uso de imãs permanentes (terras raras – Nd–Fe–B ou Sm–Co) 
ao invés de bobinas para geração do campo ⇒ aumento do 
campo magnético:
– Grande redução do momento de inércia e peso aliado a um alto 
campo magnético.
• Estator ⇒ Eletroimãs.
• Comutação eletrônica ⇒ permite eliminar as escovas.
Motores elétricos
Motor de imã permanente sem escovasMotor de imã permanente sem escovas
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• Esquema físico:
1. Núcleo do estator (aço ou ferro);
2. Slots para o enrolamento;
3. Núcleo do rotor;
4. Imã permanente.
Motores elétricos
Motor de imã permanente sem escovasMotor de imã permanente sem escovas
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• Funcionamento de um motor CA sem escovas:
O rotor (ímã permanente) gira entre dois eletroímãs estacionários. 
Como os eletroímãs são alimentados por corrente alternada, seus 
polos invertem suas polaridades conforme o sentido da corrente 
inverte.
Motores elétricos
Motor de imã permanente sem escovasMotor de imã permanente sem escovas
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• Funcionamento de um motor CA sem escovas:
Rotor gira enquanto seu polo norte é 'puxado' primeiramente para 
o eletroímã esquerdo e 'empurrado' pelo eletroímã direito. 
Cada vez que o polo norte do rotor está a ponto de alcançar o polo 
sul de um eletroímã a corrente inverte e esse polo sul transforma-
se um polo norte. 
Rotação é sincronizada 
com as reversões da CA ⇒
motor síncrono.
Motores elétricos
Motor de imã permanente sem escovasMotor de imã permanente sem escovas
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• Funcionamento de um motor CC sem escovas:
Motores elétricos
Motor de imã permanente sem escovasMotor de imã permanente sem escovas
Funcionamento idêntico ao 
motor CA sem escovas.
Corrente elétrica é
aplicada a cada uma das 
fases do estator 
dependendo da posição 
do rotor ⇒ comutação da 
corrente elétrica.
Sensores de posição no 
rotor para comutação das 
fases do estator na hora 
correta.
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1. Carcaça;
2. Enrolamento;
3. Núcleo do estator;
4. Rotor (c/ Imã);
5. Resolver;
6. Freios.
Esquema físico: servo CA usado nos robôs industriais
Motores elétricos
Motor de imã permanente sem escovasMotor de imã permanente sem escovas
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• Motor de imã permanente sem escovas;
• Grandes diâmetros ⇒ alto torque, alto peso e alta 
inércia;
• Baixa velocidade e alto torque ⇒ permite acoplar o 
motor diretamente ao eixo da articulação eliminando 
necessidade de redução de velocidade;
• Problema de baixa rigidez;
• Altíssimo custo;
� Pouco utilizado em robôs industriais.
Motores elétricos
Motor Motor ““DirectDirect--DriveDrive””
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• Comparação motor com escovas x motor sem escovas:
– Vantagens do sem escovas:
• Fonte de energia conveniente (no caso do AC);
• Sem comutação ou escovas;
• Alto torque se for utilizado imãs permanentes de alto fluxo 
magnético; 
• Baixa dissipação de potência;
• Baixa inércia;
• Alta confiabilidade e robustez.
– Desvantagens do sem escovas:
• Custo alto;
• Baixo torque de partida;
• Alto custo da eletrônica de controle.
Motores elétricos
Tipos de motoresTipos de motores
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30
Tabela comparativa Tabela comparativa 
Motores elétricos
Tipos de motoresTipos de motores
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• Curva torque X rotação ⇒ servo motores:
Por essa curva a rotação máxima 
pode ser calculada dado um 
determinado torque.
Motores elétricos
OperaOperaçção de m motor elão de m motor eléétricotrico
Motor CC com escovas Motor sem escovas
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• Passo 1: Determinação dos esforços envolvidos para a 
pior condição de operação do robô.
• Passo 2: Cálculo das rotações das articulações 
(motores).
� Como os robôs são máquinas que trabalham sempre 
em regime não estacionário ⇒⇒⇒⇒ é necessário simulação 
dinâmica para o cálculo dos esforços e das rotações 
nas articulações.
• Passo 3: Seleção do motor e da relação de redução da 
transmissão ⇒⇒⇒⇒ torque e rotação devem sempre ficar 
dentro da região de operação do motor.
Motores elétricos
SeleSeleçção de um motor elão de um motor eléétricotrico
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33
• O ciclo de operação de uma articulação de translação de um robô 
é dado no gráfico a seguir. Admitindo-se que a transmissão entre 
o eixo do motor e o eixo da articulação se dê através de uma 
polia dentada de diâmetro 150 mm e a carga transportada seja de 
60 kg. Pede-se:
a) As acelerações a que estará sujeita a articulação.
b) Os torques na articulação em velocidade constante, na 
aceleração e desaceleração.
c) A rotação requerida para o motor, sabendo-se que este está
acoplado a um redutor com relação de redução i = 100.
d) Dado o catálogo de um fabricante de motor escolha o motor 
necessário.
Motores elétricos
ExemplosExemplos
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• Dados adicionais: g = 10 m/s2; µ = 0,2 (coeficiente de atrito 
entre a articulação e a guia); η = 0,9 (eficiência da 
transmissão).
Motores elétricos
ExemplosExemplos
V (m/min)
t (s)
30
0,1 0,6 0,8
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Model No. HT02300 HT02301 HT02302 HT02303 HT02304 HT02305
Motor Constants
Stall Torque 
(continuous)
oz-in 30 61 88 113 137 157
Nm 0.215 0.413 0.620 0.798 0.966 1.105
Demag Torque (±25%) oz-in 329 675 1035 1298 1561 1838
Nm 2.32 4.76 7.31 9.16 11.0 12.9
Cont. Power Output W 56 81 97 111 123 129
Motor Constant oz-in/√W 7.9 15.0 20.8 25.8 30.0 33.6
Nm/W 0.056 0.106 0.147 0.182 0.212 0.238
Elect. Time Constant ms 0.34 0.61 0.83 1.04 1.27 1.50
Mech. Time Constant ms 5.3 2.8 2.2 1.9 1.7 1.6
Thermal Resistance °C/W 3.7 3.3 3.1 2.8 2.6 2.5
Viscous Damping oz-in/RPM 8.2E-4 1.6E-3 2.4E-3 3.0E-3 3.8E-3 4.5E-3
Nm/RPM 5.8E-6 1.1E-5 1.7E-5 2.1E-5 2.6E-5 3.1E-5
Cogging Torque 
(max.)
oz-in 1.9 2.8 3.8 5.0 6.1 7.3
Nm 0.014 0.020 0.027 0.036 0.043 0.052
ExemplosExemplos
Tabela de operação servo motor HT Series Frameless – Allied Motion
Motores elétricos
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Curvas de operação servo motor HT Series Frameless – Allied Motion
ExemplosExemplos
Motores elétricos
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Tabela de operação servo motor CobraDrive – Harmonic Drive
ExemplosExemplos
Motores elétricos
Servo actuator Output Bearing
Gear 
Size Ratio
Shaft 
Diameter
Maximum 
Output 
Torque
Maximum 
Speed
Máximum 
Tilting 
Moment
Maximum 
Dynamic 
Axial Load
Maximum 
Dynamic
Radial Load
[mm] [Nm] [rpm] [Nm] [N] [N]
8
30 6.2 1.8 200 15 200 1163
50 6.2 3.3 120 15 200 1163
100 6.2 4.8 60 15 200 1163
11
30 8.0 4.5 200 40 300 2857
50 8.0 8.3 120 40 300 2857
100 8.0 11 60 40 300 2857
14
30 13.5 9 200 75 500 5357
50 13.5 18 120 75 500 5357
100 13.5 28 60 75 500 5357
R7_Atuadores pneumaticos e hidraulicos.pdf
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PMR2560 PMR2560 –– RobRobóóticatica
AtuadoresAtuadores pneumpneumááticosticos e e hidrhidrááulicosulicos
Eduardo L. L. Cabral
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ObjetivosObjetivos
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
• Atuadores pneumáticos e hidráulicos:
– Conceito;
– Sistemas pneumáticos e hidráulicos;
– Tipos principais; 
– Dimensionamento.
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• Atuadores pneumáticos e hidráulicos:
– São elementos mecânicos que por meio de movimentos 
lineares ou rotativos transformam energia cinética 
gerada pelo fluido (ar ou óleo) pressurizado em energia 
mecânica produzindo trabalho.
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
ConceitoConceito
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• Bomba/compressor;
• Acumulador (sistemas hidráulicos);
• Desumidificador (sistemas pneumáticos)
• Medidor de pressão;
• Reservatório;
• Tubulação;
• Filtro;
• Atuador;
• Válvulas ⇒
– Reguladora de pressão;
– Seletora;
– Lançadora;
– Segurança (alívio);
– Seqüênciamento;
– Restrição;
– Reguladora de fluxo;
– Servo-válvula.
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Sistema pneumSistema pneumáático/hidrtico/hidrááulicoulico
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elcabral@usp.br 5Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Sistema pneumSistema pneumáático/hidrtico/hidrááulicoulico
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• Atuadores lineares:
– Simples efeito;
– Duplo efeito (com amortecimento, haste passante, duplex 
contínuo, duplex geminado, alto impacto).
• Atuadores giratórios oscilantes (pneumáticos).
• Motores rotativos:
– De palheta;
– De pistão;
– De engrenagem.
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Tipos de atuadoresTipos de atuadores
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• Não apresentam problemas de aquecimento quando 
travados e em mudança de sentido de movimento; 
• Motor ⇒ sem limitação de movimento;
• Cilindro ⇒ grande limitação de movimento;
• Motor ⇒ média qualidade de movimento;
• Cilindro ⇒ boa qualidade de movimento;
• Barulhentos;
• Caros para controlar com precisão.
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
CaracterCaracteríísticas geraissticas gerais
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• Pneumático:
– Baixa força ⇒ baixa relação 
força/peso; 
– Baixa inércia ⇒ média relação 
força/inércia;
– Baixa rigidez ⇒ baixa relação 
rigidez/peso;
– Acionamento direto da 
articulação;
– Barulhento;
– Baixo custo.
• Hidráulico:
– Alta força ⇒ alta relação 
força/peso; 
– Baixa inércia ⇒ alta relação 
força/inércia;
– Alta rigidez ⇒ alta relação 
rigidez/peso; 
– Acionamento direto da 
articulação;
– Perigosos e sujos;
– Alto custo.
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
CaracterCaracteríísticas dos cilindrossticas dos cilindros
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• Simples efeito
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Tipos de cilindrosTipos de cilindros
• Duplo efeito
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• Duplo efeito c/ haste passante
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Tipos de cilindrosTipos de cilindros
• Duplex contínuo
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• Amortecedor de final de 
curso ⇒ evitar choques 
devido à brusca interrupção 
no final da atuação. 
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Tipos de cilindrosTipos de cilindros
• Duplo efeito c/ amortecimento
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• Duplex geminado
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Tipos de cilindrosTipos de cilindros
• Duplo efeito de alto impacto
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e hidráulicos
Tipos de cilindrosTipos de cilindros
• Atuador pneumático oscilante
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• Características:
– Alta rotação;
– Baixa inércia;
– Baixo torque;
– Baixa rigidez; 
– Permite uso de redutor de velocidade ⇒
– Sem limitação de movimento;
– Não apresenta problema de travamento;
– Média qualidade de movimento;
– Barulhento;
– Baixo custo.
� Apesar das boas qualidades não são explorados na 
robótica.
Aumenta torque e diminui rotação;
Aumenta rigidez;
Alta relação torque/peso;
Alta relação rigidez/peso; 
Alta relação torque/inércia
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Motor pneumMotor pneumáático rotativotico rotativo
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• Comparação motor elétrico x motor pneumático (ambos com 
redutor):
– Ambos não tem limitação de movimento;
– Ambos tem alto torque;
– Ambos apresentam baixa rotação;
– Alta rigidez ⇒ rigidez do redutor; 
– Pneumático baixa qualidade de movimento X elétrico boa qualidade de 
movimento (flutuação de velocidade);
– Pneumático é barulhento X elétrico é silencioso;
– Pneumático, controle não tão fácil X elétrico, controle fácil;
– Pneumático não apresenta problema de travamento X elétrico esquenta 
quando travado; 
– Pneumático tem baixo custo X elétrico tem alto custo.
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Motor pneumMotor pneumáático rotativotico rotativo
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• Características:
– Baixa rotação;
– Baixa inércia;
– Alto torque;
– Alta rigidez; 
– Não precisa de redutor de velocidade (velocidade, torque e 
rigidez adequados para acionamento direto);
– Sem limitação de movimento;
– Média flutuação de velocidade angular (vibração).
� Motor quase ideal.
� Apesar das qualidades não são explorados na robótica.
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Motor hidrMotor hidrááulico rotativoulico rotativo
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• Comparação motor elétrico com redutor X motor hidráulico 
sem redutor:
– Ambos não tem limitação de movimento;
– Ambos tem alto torque, baixa rotação, alta rigidez;
– Hidráulico, peso e volume baixos X elétrico, com redutor peso e volume 
muito grandes;
– Hidráulico, média qualidade de movimento X elétrico, boa qualidade de 
movimento (flutuação de velocidade);
– Hidráulico é perigoso e barulhento X elétrico é seguro e silencioso;
– Hidráulico, controle não tão fácil X elétrico, controle fácil;
– Hidráulico, não apresenta problema de travamento X elétrico, esquenta 
quando travado; 
– Hidráulico tem custo muito alto X elétrico tem custo um pouco mais 
baixo.
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Motor hidrMotor hidrááulico rotativoulico rotativo
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Motor de palheta
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Tipos de motoresTipos de motores
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Motor de pistão
Atuadores pneumáticos 
e hidráulicos
Tipos de motoresTipos de motores
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• Controle de atuadores pneumáticos e hidráulicos:
– Pode-se realizar tanto controle de velocidade quanto de 
posição;
– Exige válvulas de controle de vazão;
– Válvulas