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Aula 1 Robôs Manipuladores Profs.: André Gustavo Scolari Conceição [andre.gustavo@ufba.br] UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica Ano/Semestre: 2015/1 Tópicos da aula Robôs Configurações Articulações Movimento e precisão Sistemas de coordenadas Anatomia Básica de um robô Manipulador Componentes essenciais: Base fixa (1) Corpo (2) Elos - links (Braço + Antebraço) (3) Punho (4) End effector(5) Juntas – joints (n): peças que ligam os componentes essenciais entre si, permitindo a realização de movimentos de translação ou rotação 1 2 3 3 4 5 n n n Elo Elo 1 Elo 2 Elo 3 Elo 0 Um elo (link) é um corpo rígido que define uma relação entre duas juntas adjacentes de um manipulador. Elos são numerados em ordem crescente, iniciando pela base do manipulador: A base imóvel é o elo 0 A primeira parte móvel é o elo 1, ... Parâmetros dos elos Um elo é especificado por dois parâmetros: O comprimento do elo (link lenght): é a distância entre os eixos das suas juntas ao longo de uma linha mutuamente perpendicular aos eixos das juntas. A torção do elo (link twist): A torção de um elo é o ângulo entre as projeções dos eixos das juntas em um plano cuja normal é mutuamente perpendicular aos eixos. Tipos de Juntas As juntas podem ser rotativa, prismática, cilíndrica, esférica, parafuso e planar: Junta prismática ou linear: Move em linha reta. São compostas de duas hastes que deslizam entre si; Junta rotacional: Gira em torno do eixo de rotação. Ela gira como uma cadeira giratória e abrem e fecham como uma dobradiça; Junta esférica: Funciona com a combinação de três juntas de rotação, realizando a rotação em torno de três eixos; Junta cilíndrica: É composta por duas juntas, uma rotacional e uma prismática; Junta planar: É composta por duas juntas prismáticas, realiza movimentos em duas direções; Junta parafuso: É constituída de um parafuso que contém uma porca ao qual executa um movimento semelhante ao da junta prismática, porem, com movimento no eixo central (movimento do parafuso). Tipos de Juntas Prismática (P): Linear (L) - movimento linear com eixos paralelos Ortogonal (O) – movimento linear, com eixos perpendiculares Rotatória (R): Rotacional (R) – eixo de rotação perpendicular aos eixo Torção (T) – eixo de torção paralelo aos eixo Revolutiva (V) – eixo de revolução paralelo ao eixo de entrada e perpendicular ao eixo de saída Numeração das Juntas J 1 Junta 2 J 3 Junta 4 Junta 5 Junta 6 Elo 0 Elo 1 Elo 2 Elo 3 Movimentos do End Effector - Órgão Terminal O punho é utilizado para estabelecer a orientação do orgão terminal Pode ter de 1- 3 eixos Rotation in 3 eixos: Roll ( T ) - Rolagem Pitch ( R ) - Arfagem Yaw ( R ) – Guiagem Graus de Liberdade (DOF) Os graus de liberdade determinam os movimentos do braço robótico no espaço bidimensional ou tridimensional. Quantidade de movimentos (translações e rotações) segundo os quais um robô pode deslocar-se no espaço Cada junta define um ou dois graus de liberdade, e assim, o número de graus de liberdade do robô é igual a somatória dos graus de liberdade de suas juntas. Por exemplo, quando o movimento relativo ocorre em um único eixo, a junta tem um grau de liberdade; caso o movimento se dê em mais de um eixo, a junta tem dois graus de liberdade. Observa-se que quanto maior a quantidade de graus de liberdade, mais complicadas são a cinemática, a dinâmica e o controle do manipulador. Movimentos no punho Roll ou rolamento - rotação do punho em torno do braço Pitch ou arfagem - rotação do punho para cima ou para baixo Yaw ou guinada - rotação do punho para a esquerda e para a direita. Os punhos são compostos de 2 ou 3 DOF. Em particular, o movimento do punho possui nomenclaturas especificas: Robôs Manipuladores - Configurações Cartesian: PPP Cylindrical: RPP Spherical: RRP SCARA: RRP Articulated: RRR Rotating pair – Revolute (R) Sliding pair – Prismatic (P) Juntas: A configuração física dos robôs esta relacionada com os tipos de juntas que ele possui. Cada configuração pode ser representada por um esquema de notação de letras. Considera-se primeiro os graus de liberdade mais próximos da base, ou seja, as juntas do corpo, do braço e posteriormente do punho. Robôs Manipuladores Cartesianos É o robô de configuração mais simples Movimento retilíneo nas direções X, Y e Z Três juntas prismáticas (P) Deslocamento, alcance e elevação Aplicações: pick and place de objetos pesados, sistemas de armazenagem e sistemas de medição Robôs Manipuladores Cilíndricos Este braço possui na base uma junta prismática, sobre a qual apóia-se uma junta rotativa (revolvente ou torcional). Uma terceira junta do tipo prismática é conectada na junta rotativa Fácil de visualizar e controlar Movimentos Aplicações: Movimentação de materiais, pick and place, montagens. Robôs Manipuladores Esféricos (Polar) Ele conta com duas juntas rotativas seguida de uma junta prismática. Suporta grandes cargas e grande alcance. É bastante utilizado para carga e descarga de máquinas Coordenadas complexas e dificuldade de visualizar movimentos O volume de trabalho é um setor esférico Robôs Manipuladores Articulados (Antropomórfico) Este tipo de robô possui 3 juntas rotativas Eles são os mais usados nas industrias, por terem uma configuração semelhante ao do braço humano, (braço, antebraço e pulso). O pulso é unido a extremidade do antebraço, o que propicia juntas adicionais para orientação do órgão terminal. Este modelo de configuração é o mais versátil dos manipuladores, pois assegura maiores movimentos dentro de um espaço compacto. Aplicação: pintura, solda, movimentação de materiais e usos gerais Cinemática complexa, dificil de controlar Robôs Manipuladores SCARA Compacto, tem grande precisão e repetibilidade, embora com um alcance limitado. Aplicação: montagem mecânica ou eletrônica que exigem alta precisão. Possui duas juntas rotativas e uma junta linear, que atua sempre na vertical. Grande rigidez na direção vertical Tipos de Garras Garras de dois dedos: 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. Tipos de Garras 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. Tipos de Garras Garra para objetos cilíndricos: Consiste de dois dedos com vários semicírculos chanfrados; Permite segurar objetos cilíndricos de vários diâmetros diferentes. Tipos de Garras Garra para objetos frágeis: Exercem forçacontrolada durante a operação de segurar algum objeto; Não causam dano ao objeto; Formada por dedos flexíveis Operação em geral pneumática ou elétrica; Podem ter controle ativo da pressão de contato com o objeto - mas para isso exige sensor de pressão. Tipos de Garras 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. Tipos de Garras - Exemplos Sistemas de Acionamento Sistemas utilizados para mover o corpo, braço e o punho do robô determinando a velocidade, a força (ou torque) e o desempenho dinâmico de cada um destes componentes Tipos mais utilizados em robótica industrial: Hidráulico Pneumático Elétrico Sistemas de Acionamento Acionamento Hidráulico: Permite valores elevados de velocidade e de força A grande desvantagem é o seu elevado custo Preferíveis em ambientes nos quais os drives elétricos poderão causar incêndios, por ex. na pintura Acionamento Elétrico Oferecem menor velocidade e força que os hidráulicos Permitem maior precisão, maior repetibilidade e mais “limpos” Dois tipos de acionamentos elétricos: motores passo a passo e servomotores DC Os últimos são os mais utilizados, permitindo movimentos controláveis de forma contínua e suave. Acionamento Pneumático Utilizado em robôs de pequeno porte e que possuam poucos graus de liberdade Baixo custo (mais econômico que os anteriores) Sistemas de Acionamento - Comparação Volume de trabalho Espaço dentro do qual o robô pode se manipular a extremidade do seu punho (o orgão terminal não conta para este fim) O volume de trabalho de um manipulador depende da configuração do braço, dos comprimentos dos elos (braço e punho) e de limites e restrições construtivas a movimentação das juntas. Precisão dos Movimentos A precisão de movimento esta intrinsecamente correlacionada com três características: Resolução Espacial: menor incremento de movimento no qual o robô pode dividir a sua área de trabalho. Depende da resolução do sistema de controle e das imprecisões mecânicas do robô. Precisão: capacidade do robô atingir um ponto desejado. Mede a distância entre a posição especificada e a posição real atingida pelo robô. Repetibilidade: capacidade do robô se posicionar na mesma posição naquela que se posicionou anteriormente. Sistemas de Referências (Frames) Um sistema de referência é uma descrição da posição e orientação de um objeto de maneira conjunta. Existem diversos sistemas de referências utilizados: Sistema de coordenadas do mundo. Sistema de coordenadas de juntas. Sistema de coordenadas do ponto de montagem. Origem do sistema: Centro do Atuador. Sistema de coordenadas do mundo(base). Sistema da garra Sistemas com nomes definidos.
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