Aula1

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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.