TRABALHO DE ROBÓTICA

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CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INTRODUÇÃO Á ROBÓTICA 
TRABALHO 01:
ELEMENTOS E CINEMÁTICA
MATEUS FERREIRA DE LIMA
LUZERNA 2020/1
1.0 INTRODUÇÃO
A história da robótica está intimamente ligada com a evolução da automação industrial, o uso do robô industrial tornou-se indispensável à economia mundial principalmente na década de 1960,onde evoluiu através da criação de outros sistemas como o CAD (desenho auxiliado por computação) e recentemente CAM (manufatura aulixada por computação), essas tecnologias estão levando a automação industrial para uma transição ainda indefinida.
O primeiro nicho de mercado para a robótica foi criado na América do Norte, desde então, vem crescendo a procura por esse tipo de serviço,embora esteja sujeito às oscilções ecônomicas.
O principal motivo para o aumento do uso de robôs industriais é o custo, que vem diminuindo com o decorrer dos anos, em contra partida, desde de a década de 1990, o preço da mão de obra humana vem aumentando, fazendo com que a tendência seja que cada vez mais processos braçais sejam substituidos por processos controlados automáticamente, isso torna a robótica industrial uma grande candidata a evoluções e projeções futuras.
A robótica propriamente dita,pode ser definida como a área do conhecimento que se concentra em estudar os dispositivos caracterizados por elementos mecânicos,elétricos e eletrônicos. Um robô por sua vez pode ser descrito como um equipamento programável com multiplas funções e graus de liberdade,designado a mover partes materiais e ferramentas utilizando movimentos definidos.
2.0 DESENVOLVIMENTO
2.1 JUNTAS
Para a atribuição de um sistema de coordenadas a um elo, é necessário levar em conta suas próprias propriedades geométricas e suas respectivas consequências no elo seguinte da cadeia. Para obter essa informação de forma coerente é necessério definir os conceitos de junta.
Por definição juntas podem ser caracterizadas como o elemento que compõem o par cinemático formado por dois elos adjacentes.
Existem diversos tipos de juntas robóticas, entre elas estão as seguintes: helicoidais, rotação, prismáticas, cilíndricas, parafuso, plana e esférica. Posteriormente serão apresentadas as juntas mais comuns.
· Juntas prismáticas ou linear (P): quando o movimento de duas hastes adjacentes for linear, ou seja, movem-se em linha reta e são compostas por duas hastes que deslizam entre si;
· Juntas de rotação ou revolução (R): quando o movimento entre duas hastes for de rotação,portanto, gira em torno de uma linha imaginária estacionária chamada de eixo de rotação;
· Juntas esféricas (ou rótula): permitem a rotação em torno de três eixos simultaneamente, são basicamente a combinação de três juntas de rotação,com três graus de liberdade;
· Juntas cilindricas: é definida basicamente como a composição de duas juntas, uma rotacional e uma prismática;
· Junta planar: trata-se da composição de duas juntas prismáticas, possui a caractertistica de realizar movimentos em duas direções;
· Junta parafuso: é formada por um parafuso que contém uma porca ao qual executa um movimento semelhante ao da junta prismática, porém, com movimento no eixo central.
Em geral robôs industriais utilizam apenas juntas rotativas e prismática. Como a junta planar pode ser considerada uma derivação de duas juntas prismáticas, também é muito utilizada. As juntas rotativas possuem uma classificação espeficica relacionada com a direção dos elos de entrada e saída em relação ao eixo de rotação. Tem-se portanto, as seguintes juntas rotativas:
· Rotativa de torção ou torcial (T): Os elos de entrada e de saída tem a mesma direção do eixo de rotação da junta;
· Rotativa rotacional (R): Os elos de entrada e de saída são perpendiculares ao eixo de rotação da junta;
· Rotativa revolvente (V): O elo de entreda possui a mesma direção do eixo de rotação,mas o elo de saída é perpendicular a este.
2.2 ELOS
É possivel associar um robô industrial como um tipo de máquina aplicada na automação flexível,sendo constituida basicamente por elementos (elos) mecânicos acionados por atuadores a partir de um controle que opera baseado em informações de movimentos programados. 
 1.0- Representação de elos.
Fonte: Universidade de São Paulo ,2020.
2.3 GRAU DE LIBERDADE
Os graus de liberdade,também conhecidos pela sigla (GL) determinam os movimentos do braço robótico no espaço bidimensional ou tridimensional. Cada junta define geralmente um ou dois graus de liberdade, assim o numero de graus de liberdade de um robô é igual ao somatório dos graus de liberdade de suas juntas.
Basicamente, quando um movimento relativo ocorre em um único eixo, a junta tem um grau de liberdade, caso o movimento aconteça em mais de um eixo, a junta tem dois graus de liberdade. Consequentemente, observa-se que quanto maior o grau de liberdade, mais complexo se torna a cinemática, dinâmica e controle do manipulador.
O número de graus de liberdade de um manipulador está intimamente relacionado ao número de variáveis posicionais independetes, esses parâmetros permitem definir a localização de todas as partes de forma única.
2.4 CLASSIFICAÇÃO
A seguir serão apresentados alguns dos tipos mais comuns de rôbos industriais utlizados atualmente, são eles:
· Robô articulado (RRR)
Esse tipo de robô é o mais utilizado no ramo industrial e suas caracteristicas construtivas assemelha-se a um braço humano. Sua estrutura mecânica é constituida de um braço que é conectado a uma base com uma junta de torção, possibilitando o giro do robô. 
O número de juntas rotativas que conectam os elos do braço podem variar conforme a necessidade (geralmente de 2 a 10 juntas), cada artibulação fornece um grau de liberdade adicional.
As articulações podem ser paralelas ou ortogonais entre si. Dentre os tipos de robôs anticulados, os com seis graus de liberdade são os mais utilizados, pois seu design proporciona maior flexibilidade se comparado com os de menores eixos.
A imagem (2.0) a seguir, exemplifica qual é a forma de um robô articulado. Segundo seu catálago técnico sua aplicação acontecem em funções relacionadas a cargas pesadas.
 2.0- Robô Articulado KR 600 FORTEC
Fonte: KUKA robots,2020.
· Robô esférico (RRP)
Robô esférico (também conhecido como robô forma de bola), é um tipo de robô tipicamente constituido de uma casca esférica que serve como corpo e uma unidade de condução interna (IDU), que permite sua mobilidade. 
Seus movimentos acontecem geralmente rolando sobre superfícies, usualmente esse tipo de deslocamente é realizada pela mudança do centro de massa do robô,isto é, o sistema é impulsionado por um pêndulo, porém existem alguns outros tipos de mecanismo de direção.
A interpletação de robô esférico pode ser amplamente definida como um robô estacionário, com juntas rotativas e uma articulação prismática que forma um sistema de coordenadas esféricas.
As principais aplicações hoje são: vigilância e monitoramento ambiental, patrulha, exploração subaquática e planetária, reabilitação e entreterimento.
A imagem (3.0) a seguir, apresenta uma aplicação prática de um robô esférico em atividade experimental, trata-se de um “agrobot”, construído por alunos da universidade politécnica de Madri, na Espanha. Sua função é de monitoramento dos campos plantados, e seu principio de deslocamente é através de um pêndulo. 
3.0- Robô Esférico
Fonte: Olhar agro e negócios,2020.
· Robô SCARA (RRP)
Habitualmente utilizado em aplicaçãoes de montagem, esse robô possui duas juntas paralelas que fornecem conformidade no plano onde será instalado. 
Os SCARA possuem um range de trabalho em forma de anel como pode ser visto na imagem (4.0) a seguir. 
Com relação as suas caracteristicas construtivas, possuem eixos rotativos que são posicionados verticamente e um eixo final preso a um braço que se move horizontalmente. Como consequência de suas composição, os robôs SCARA são especialistas em movimentos lateriais.
Suas principais aplicações acontecem em setores onde a velocidade de movimentação é importante,além disso a escolha do robô SCARA neste tipo de situação esta relacionado a sua fácil integração quando comparado com a de robôs cilindricos ou cartesianos.
4.0- Robô SCARA
Fonte: Citisystems,2020.
· Robô cilindrico (RPP)
Estes robôs são compostos por uma junta rotacional e duas juntas prismáticas, combinando movimentos rotacionais com lineares, o que acaba resultando em uma área de trabalho maior que a dos robôs cartesianos.
Sua rigidez mecânica é um pouco inferior e seu controle mais complexo que o robô cartesiano, isso é consequencia da sua variedade de momentos de inércia para os diferentes pontos na área de trabalho e pelo movimento de rotação da junta da base.
O nome “cilíndrico” é pelo fato de operarem dentre de um envelope de trabalho em formato cilíndrico. 
5.0- Robô cilindrico
Fonte: Citisystems,2020.
Os robôs cilíndricos possuem um eixo de articulação e um braço extensível que se move verticalmente e ao mesmo tempo deslizando.
Seu design compacto da extremidade do braço, permite que o robô alcance ranges apertados de trabalho sem perda de velocidade e repetibilidade. É usado principalmente em aplicações simples, onde os materiais são recolhidos, girados e colocados.
· Robô cartesiano (PPP)
Robôs cartesianos ou robôs retilíneos, possuem uma configuração retangular. Suas características físicas possuem três juntas prismáticas com o intuito de fornecer o movimento linear deslizando em seus três eixos perpendiculares (x,y e z). Além disso,são fabricados para possibilitar um deslocamento combinado, garantir a rotação.
As principais aplicações deste tipo de rôbo acontece no setor industrial, pois oferecem grande flexibilidade, o que é necessário para diversas aplicações específicas. 
A imagem (6.0) a seguir é um exemplo de aplicação de robôs cartesianos em armazéns de estocagem, sua escolha para esse tipo de função acontece devido a simplicidade de seu controle e sua alta rigidez mecânica.
6.0- Robô cartesiano 
Fonte: Automação e Robótica,2020.
2.5 ESTRUTURA CINEMÁTICA 
	2.5.1 Cadeia cinemática aberta (robôs seriais)
Por definição,a cadeina cinemática aberta é caracterizada por ter o número de graus de liberdade igual ao número de articulações ativas.
Partindo da base, podemos chegar a um punho através de um único caminho em uma sequência elo-junta-elo. Neste tipo de cadeia, geralmente os braços articulados são do tipo revoluto.
A imagem (7.0) a seguir, descreve um manipulador serial (cadeia cinemática aberta).
7.0- Robô cartesiano 
Fonte: IFSC,2020.
	2.5.2 Cadeia cinemática fechada (robôs paralelos)
A caracteristica de cinemática fechada, pode ser descrita como quando o grau de liberdade depende da configuração geométrica e do número de articulações passivas e ativas.
Neste tipo de cadeiais, existem vários caminhos da base até o punho. Vários elos podem estar interligados entre si, isso implica que podemos percorrer um caminho que parta da base, e que regresse a ela por outro caminho, após atingir o punho.
Um exemplo de robôs que faz parte dessa classe de cadeia é o pórtico (“gantry), que são aplicados na manipulação e armazenagem de materiais.
A imagem (8.0), ilustra a representação prática de um robo paralelo (cinemática fechada). 
8.0- Robô cartesiano 
Fonte: Fundamentos da Robótica,2020.
O número de (GL) de um robô de cadeia fechada está relacionado com sua configuração cinemática, que é descrita da seguinte forma:
Onde: 
· = 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).
Outra relação que também fornece o número de GL de um robô de cadeia fechada:
Onde: 
· 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
A diferença entre cadeia fechada e cadeia aberta será descrita posteriormente em forma de tabela.
Tabela 1.0- (Cadeia fechada/Cadeia aberta)
	Item
	Arquitetura serial 
	Arquitetura paralela
	Volume de Trabalho
	Grande
	Pequeno
	Capacidade de Carga
	Baixa
	Alta
	Precisão do Efetuador
	Baixa
	Alta
	Juntas Passivas
	Poucas ou nenhuma
	Tem
	Velocidade / Aceleração
	Baixa
	Alta
	Cinem. / Din. Inversa
	Complexa, múltiplas soluções
	Simples, múltiplas soluções
	Cinem. / Din. Direta
	Simples, solução única
	Complexa, múltiplas soluções
	Aplicações Típicas
	Soldagem, montagem, pintura, manuseio de materiais
	Simuladores, usinagem, posicionamento de precisão, pick-and-place
Fonte:Escola politécnica da USP,2020.
3.0 CONCLUSÃO
O trabalho proposto se mostrou extremamente importante para o acréscimo de conhecimento e fundamentação teórica sobre o universo da robótica industrial.
Com o crescimento da robótica cada vez mais presente no dia a dia das empresas e com máquinas que executam movimentos cada vez mais rápidos,padronizados e eficazes, a compreensão desses fundamentos se torna algo indispensável para o horizonte de estudo da automação.
4.0 REFERÊNCIAS
· J, Graig John. Robótica. 3. ed. São Paulo: Pearson, 2012. 377 p.
· B.NIKU, Saeed. Introdução à robótica: análise,controle, aplicações. 2. ed. Rio de Janeiro: Grupo Gen, 2011. 382 p.
· MELONI, Rodrigo Maciel. Agricultura de precisão conta com robô esférico para inspecionar lavouras. 2013. Disponível em: https://www.agroolhar.com.br. Acesso em: 01 mar. 2020.
· SILVEIRA, Cristiano Bertulucci. Os 6 Principais Tipos de Robôs Industriais. 2015. Disponível em: https://www.citisystems.com.br/. Acesso em: 03 mar. 2020.
· TRONCO, Mário Luiz. Robôs Industriais: conceitos, classificação, aplicação e programação. 2013. Disponível em: https://edisciplinas.usp.b. Acesso em: 01 mar. 2020.
· BRAGA, Newton C.. Fundamentos de Robótica. Disponível em: https://www.newtoncbraga.com.br/. Acesso em: 01 mar. 2020.
· KLUG, Michael. ROBÓTICA: INTRODUÇÃO A ROBÓTICA. Disponível em: http://www.joinville.ifsc.edu.br/. Acesso em: 01 mar. 2020.