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11/08/2014 1 44646-04 Sistemas Robotizados Aula 2 Introdução à Robótica Industrial PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE ENGENHARIA ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Prof. Felipe Kühne Bibliografia: – Slides de Aula – Spong, cap. 1 (pag. 1 ~ 20) – Groover, cap. 8 (pag. 172 ~ 182) 2 11/08/2014 2 Robótica: – Estudo de máquinas capazes de substituir seres humanos na execução de certa tarefa, com relação a atividades físicas e tomadas de decisão. (SCIAVICCO, L. Modelling and control of robot manipulators) Definição 3 ISO 8373 – An industrial robot manipulator is: An automatically controlled, reprogrammable, multipurpose manipulator programmable in three or more axes, which may be either fixed in place or mobile for use in industrial automation applications. Reprogrammable: whose programmed motions or auxiliary functions may be changed without physical alterations; Multipurpose: capable of being adapted to a different application without physical alterations. Definição 4 11/08/2014 3 Primeiros desenvolvimentos: Mecanismos tele-operados (conceito mestre-escravo) Máquinas CNC (necessidade de elevada precisão na fabricação de componentes para a aviação) Autonomia, programabilidade e precisão dos movimentos Histórico 5 Linha do tempo: [Séc. IV a.C.] Aristóteles; [Séc. XVIII] Revolução Industrial; [1921] Primeiro uso da palavra robota em uma peça de teatro checa, por Karol Capek; [1947] Primeiro teleoperador controlador por servomotores; [1954] UK: Cyril Kenward: manipulador cartesiano; EUA: George Devol: primeiro robô programável; Histórico 6 11/08/2014 4 Linha do tempo: [1961] Unimation, Inc.: Primeira aplicação industrial: máquina de fundição na General Motors, New Jersey; Histórico 7 Linha do tempo: [1971] Stanford Arm: produção comercial de robôs controlados por computador Histórico 8 11/08/2014 5 Linha do tempo: [1970’s] Desenvolvimento da micro-eletrônica, computação e linguagens de programação. Consolidação dos principais modelos: � Cincinatti Milacron T3 (esférico) � PUMA (Unimation + GM) (articulado); � SCARA [1980] GM investe US$ 40bi em robótica Histórico 9 Componentes básicos Componentes básicos: 10 11/08/2014 6 Componentes básicos Componentes básicos: Um manipulador é basicamente composto de um conjunto de membros conectados por juntas • Base • Membros • Juntas • Órgão terminal • Atuadores • Sensores 11 Componentes básicos Membro: � modelado como um corpo rígido, sem deformações � conectados uns aos outros por juntas 12 11/08/2014 7 Componentes básicos Junta: � grau de liberdade (movimento) entre dois membros � junta rotacional (movimento angular): 13 Componentes básicos Junta: � Juntas rotacionais: 14 11/08/2014 8 Componentes básicos Junta: � grau de liberdade (movimento) entre dois membros � junta prismática (movimento linear): 15 Componentes básicos Junta: � Juntas prismáticas: 16 11/08/2014 9 Componentes básicos Junta: � grau de liberdade (movimento) entre dois membros � junta esférica (3GDL): 17 Componentes básicos Órgão terminal: � é a ferramenta que efetivamente vai realizar a tarefa. 18 11/08/2014 10 Componentes básicos Órgão terminal: � é a ferramenta que efetivamente vai realizar a tarefa. 19 Componentes básicos Órgão terminal: � é a ferramenta que efetivamente vai realizar a tarefa. � depende de qual tarefa será realizada: • solda • transporte de peças • corte • pintura (exemplo) • inspeção visual � ou do tipo de peça a ser manipulada (garra/ventosa): • exemplo: manipulação de peças de grandes dimensões 20 11/08/2014 11 Componentes básicos Atuadores: Dependendo do porte do robô, pode ser: � Elétrico (mais comum) � Pneumático � Hidráulico (grandes dimensões) Acionamento Precisão Capacidade de carga Velocidade Custo de carga Elétrico alta 200kg alta alto Hidráulico média 1000kg ou + média-alta médio-alto Pneumático baixa 10kg alta baixo 21 Componentes básicos Atuadores: Acionamento elétrico: motor DC com caixa de redução 22 11/08/2014 12 Componentes básicos Atuadores: Controle de velocidade e sentido de rotação: Ponte H. 23 Componentes básicos Sensores: Leitura das informações sobre o próprio comportamento e sobre seu ambiente de atuação. A maior parte dos robôs utiliza apenas sensores internos na forma de codificadores ópticos (encoders) 24 11/08/2014 13 Componentes básicos Encoder: Outros sensores: tacômetro, acelerômetro, sensor de fim de curso, célula de carga, ... 25 • Graus de liberdade • Volume de trabalho • Resolução de controle • Precisão • Repetibilidade Termos e definições 26 11/08/2014 14 • Graus de liberdade: O número de graus de liberdade de um manipulador é equivalente ao número de juntas do mesmo, considerando que estas são dos tipos rotacional ou prismática; Termos e definições 27 • Volume de trabalho: É um sólido tridimensional formado pelo conjunto de todos os pontos alcançáveis pelo órgão terminal do robô; determinado pela geometria e anatomia do robô e também pelos limites individuais de cada junta; Termos e definições 28 11/08/2014 15 • Resolução de controle: Refere-se à capacidade do sistema de posicionamento do robô de dividir o curso da articulação em pontos igualmente espaçados, chamados de pontos endereçáveis, para os quais a articulação pode ser movida pelo controlador; Dois fatores: (1) componentes eletromecânicos (CR1) (2) número de bits do controlador (CR2) Desejável: Termos e definições { }21,CRCRMaxCR =122 −= B RCR 12 CRCR ≤ 29 • Repetibilidade: Cada vez que o robô volta para um ponto previamente gravado, ele volta para uma posição ligeiramente diferente; • Precisão: Capacidade de posicionar a extremidade de seu punho em uma localização desejada no volume de trabalho; Termos e definições σ3dadeRepetibili ±= σ3 2 CRPrecisão += (pior caso!) 30 11/08/2014 16 Termos e definições 31 Anatomia dos manipuladores Anatomia dos manipuladores: Manipulador típico: • 3GDL para para posicionar o OT • 3GDL para orientar o OT 32 11/08/2014 17 Anatomia dos manipuladores � Articulado ou antropomórfico: – três juntas rotativas (TRR) 33 Anatomia dos manipuladores � Articulado ou antropomórfico: – três juntas rotativas (TRR) 34 11/08/2014 18 Anatomia dos manipuladores � SCARA: – Selective Compliant Articulated Robot for Assembly – duas juntas rotativas e uma prismática (VRO) 35 Anatomia dos manipuladores � SCARA: – Selective Compliant Articulated Robot for Assembly – duas juntas rotativas e uma prismática (VRO) 36 11/08/2014 19 Anatomia dos manipuladores � Cartesiano (ASRS): – três juntas prismáticas (LOO) 37 Anatomia dos manipuladores � Cartesiano (ASRS): – três juntas prismáticas (LOO) 38 11/08/2014 20 Anatomia dos manipuladores � Esférico: – duas juntas rotativas e uma prismática (TRL) 39 Anatomia dos manipuladores � Esférico: – duas juntas rotativas e uma prismática (TRL) 40 11/08/2014 21 Anatomia dos manipuladores � Cilíndrico: – uma junta rotativa e duas prismáticas (TLO) 41 Anatomia dos manipuladores � Cilíndrico: – uma junta rotativa e duas prismáticas (TLO) 42 11/08/2014 22 Punho esférico � Punho esférico: - Colocado entre o braço e o órgão terminal - 3GDL para orientar o órgão terminal 43 Punho esférico � Centro do punho: - Ponto de intersecção dos eixos das 3 últimas juntas44 11/08/2014 23 Anatomia dos manipuladores Robôs paralelos (cadeia cinemática fechada): � Delta (ABB Flexpicker); � SCARA Duplo (Dextar); 45 Anatomia dos manipuladores Robôs cooperativos: � ABB Frida; � GM Robonaut; � Baxter; 46 11/08/2014 24 Principais fabricantes: – ABB (www.abb.com); – Kuka (www.kuka.com); – Motoman (www.motoman.com); – Fanuc (www.fanuc.com); – Kawasaki (http://www.kawasakirobotics.com); Histórico 47 Dados estatísticos FONTE: IFR (www.ifr.org) 48 11/08/2014 25 Dados estatísticos FONTE: IFR (www.ifr.org) 49 Dados estatísticos FONTE: IFR (www.ifr.org) 50 11/08/2014 26 Densidade robótica: número de robôs por cada 10 mil trabalhadores da indústria (dados de 2011) Dados estatísticos 51 Densidade robótica: número de robôs por cada 10 mil trabalhadores da indústria (dados de 2011) Dados estatísticos 52 11/08/2014 27 Exemplos Exemplos: � ABB IRB140 (datasheet) � KUKA KR1000 (datasheet) ABB IRB140 KUKA KR1000 Volume de trabalho horiz: 1,5m vert: 1m horiz: 3,6m vert: 4m Capacidade de carga 6 kg 1000 kg Velocidade 250 º/s 50 º/s Precisão ±0,03 mm ±0,2 mm 53 Exemplos 54 11/08/2014 28 DÚVIDAS? 55
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