Aula 1_Robótica

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Robótica 
 
Introdução 
A designação robótica industrial surge do estudo dos manipuladores robóticos que são 
usualmente conhecidos por robôs industriais. A disciplina tem como principal objetivo 
o de dar formação sobre os princípios da manipulação robótica e sua fundamentação 
matemática 
 
Origem do termo 'robô' 
O termo eslavo Robota significa trabalhos forçados ou escravos, e teve a sua primeira 
divulgação numa peça de 1921 do escritor theco Karel Čapek. 
 
Um exemplo contemporâneo dessa realidade foi dado pela contribuição do grande escritor 
de ficção Isaac Asimov, que chegou a definir as Leis da Robótica por volta de 1950: 
 
Leis da robótica 
1ª Lei: Um robô não pode maltratar um ser humano, ou pela sua passividade deixar que um 
ser humano seja maltratado. 
2ª Lei: Um robô deve obedecer às ordens dadas por um ser humano, exceto se entrarem 
em conflito com a 1ª lei. 
3ª Lei: Um robô deve proteger a sua própria existência desde que essa proteção não entre 
em conflito com a 1ª ou 2ª lei. 
 
Definições de Robô 
Texto da FAQ comp.robotics 
"Dispositivos eletromecânicos pré-programáveis para execução de uma variedade de 
funções." 
 
Dicionário Webster: 
"Dispositivo automático que executa funções normalmente atribuídas a humanos ou 
uma máquina com a forma de um humano.“ 
 
Em 1986, P. McKerrow propôs para robô a seguinte definição: 
"Um robot é uma máquina que pode ser programada para fazer uma variedade de 
tarefas, do mesmo modo que um computador é um circuito eletrônico que pode ser 
programado para fazer uma variedade de tarefas." 
 
The Robot Institute of America 
“Um robot é manipulador multi-funcional, programável, projectado para mover 
materiais, componentes, ferramentas ou dispositivos especiais através de 
movimentos programáveis variáveis para a execução de uma variedade de tarefas 
 
Dicionário Aurélio 
 
 
 
 
Associação das Industrias de Robótica (RIA – EUA) 
 Um robô industrial é um manipulador programável, multifuncional, projetado para mover 
materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis 
programados para a realização de uma variedade de tarefas. 
 
Objetivos da Robótica 
 
Abaixo estão enunciados apenas alguns dos principais objetivos da robótica: 
 Aumento da produtividade através da otimização da velocidade de trabalho do robô e a 
conseqüente redução de tempo na produção; 
 Otimização do rendimento de outras máquinas e ferramentas alimentadas ou auxiliadas 
por robôs; 
 Diminuição dos prazos de entrega de produtos; 
 Realização de trabalhos não desejados, tediosos (alimentar máquina-ferramenta) ou 
perigosas e hostis (ambientes com temperaturas elevadas e presença de materiais 
tóxicos, inflamáveis e radioativos). 
 
Quando utilizamos os Robôs 
Os primeiros robôs industriais começaram a ser comercialmente utilizados com o objetivo de se 
substituir o ser humano em tarefas em que ele o ser humano, não poderia realizar, por causa de 
suas próprias limitações físicas ou por envolverem condições desagradáveis ou extremas 
tipicamente contendo: 
 Calor excessivo 
 Ruído elevado e constante 
 Gases tóxicos e ou poeira 
 Risco de contaminação química ou radioativa 
 Esforços físicos extremos e continuado, 
 Tarefas que exigem vários movimentos simuntâneos; 
 Operações requerem grandes precisão na sua execução; 
 Necessidade de uniformidade na produção 
 Trabalhos monótonos repetitivos “chatos” 
 Risco de morte 
Limitações de custo 
O maior fator que impede a adoção em massa de robôs nas industrias é o seu alto custo. O 
tempo que se leva para se recuperar o investimento em um robô, depende dos custos de 
compra, instalação e manutenção, além do treinamento e qualificação de funcionários e 
operários. Este tempo não é fixo e depende da fábrica ou industria onde o Robô será instalado 
e sua aplicação. Devemos considerar as seguintes condições. 
 Numero de empregados substituídos pelo robô 
 Numero de turnos por dia 
 Produtividade comparada a seu custo 
 Custo de projeto e manutenção 
 Custo dos equipamentos periféricos 
 Enfim: a sua relação custo/benefício 
 
Gerações (cronologicamente) 
 1ª-Robôs executores (playback) - repetem uma seqüência de instruções pré-gravada 
como a pintura ou soldadura. 
 2ª-Robôs controlados por sensores - possuem malhas fechadas de realimentação 
sensorial. Tomam decisões com base nos sensores. 
 3ª-Robôs controlados por visão - a malha fechada de controle inclui um sistema de visão 
(imagem que é processada) 
 4ª-Robôs com controle adaptativo - o robô pode reprogramar as suas ações com 
base nos seus sensores. 
 5ª-Robôs com inteligência artificial - usa técnicas de inteligência artificial para tomar 
as suas decisões e até resolver problemas 
 
Classificação de Robôs (Gerações - em termos de realizações de tarefas) 
 1ª Geração: essas máquinas geralmente não são programáveis. Trata-se de um 
servomecanismo. Um sistema que atua sob o comando do homem. Por exemplo um braço 
de um pequeno submarino de exploração oceânica. 
 2ª Geração: essa máquinas são programáveis e executam tarefas repetitivas, que exigem 
precisão de movimentos, normalmente com ferramentas pesadas, e em ambientes 
insalubres ao ser humano. Este é o tipo de robô mais encontrado na indústria, e um exemplo 
clássico é o robô soldador de carrocerias de veículos. 
 3ª Geração: essas unidades são as mais raras, e de aplicação bem específica. O robô de 
terceira geração, alem de possuir um programa residente, é equipado com ferramentas de 
softwares capazes de atribuir à máquina um poder de decisão. Um robô de exploração 
espacial, por exemplo deve decidir diante de um obstáculo se o melhor caminho e para 
direita ou para esquerda. 
 
Classificação de Robôs (Nível de inteligência do controlador (pela JIRSA)) 
 Dispositivos manuais - operados por pessoas 
 Robôs de seqüência fixas 
 Robôs de seqüência variáveis - onde o operador pode mudar a seqüência com facilidade. 
 Robôs executores (playback) - onde o operador humano guia o robô a executar uma tarefa 
fixa. 
 Robôs controlados numericamente - o operador fornece apenas o programa do movimento, 
em vez de o ensinar manualmente 
 Robôs inteligentes - percebem e interagem com alterações no ambiente. 
 
Classificação de Robôs (Nível de controle dos programas no controlador) 
 Inteligência artificial - instruções de alto nível que serão decompostas pelo sistema em 
funções de mais baixo nível. 
 Modo de controle - os movimentos do sistema são modelizados incluindo as interações 
dinâmicas entre os diferentes mecanismos. As trajetórias são planejadas à partida, bem 
como os pontos de contacto com os elementos a trabalhar (manipular). Deste modelo é 
formulada uma estratégia e os comandos de controle são enviados para próximo nível 
mais baixo. 
 Servo-sistema - os atuadores controlam os parâmetros do dispositivo usando os dados 
sensoriais nas malhas de controle. 
 
HISTÓRICO 
 1801 – Tear Jacquard 
 1946 - George Devol: Dispositivo controlador 
 1959 – Primeiro robô comercial (Planet Corporation). Controlado por chaves e cames; 
 1960 – Primeiro Robô Unimate. Usava comando numérico programável; 
 1976 – Robo T3 da Cincinnati Milacron controlado por computador 
 1982 – Robô RS-1 da IBM programado em linguagem AML 
 1997 – A Honda anuncia o primeiro robô humanóide que sobe escadas. 
 2000 – Milhares instalados em fábricas e usados para entretenimento 
 
Ficção Científica 
 1817 – Frankenstein de Mary Shelley; 
 Anos 20 – karel Chapek: peça tcheca Robôs Universais de Rossum. Introduziu o termo 
Robota (tcheco)  
 1939 – Isaac Asimov. Introduziu o termo robótica e criou várias estórias sobre robôs; 
 1968 – 2001: Uma odisséia no espaço – HAL computador altamente inteligente; 
 1977 – Guerra nas estrelas – robô humanóide R2D2 e C3PO 
 
Categoria de Robôs 
As três categorias principais de robôs são 
 ROBÔ FIXO – Também chamado de Braço Mecânico, é montado sobre uma basea qual lhe 
serve de sustentação física e de referência de movimentos. É o tipo mais comum de Robô e 
o mais usado em aplicações industriais; 
 ROBÔ MÓVEL – Também chamado de Carro ou AGV (Automatically Guided Vehicle = 
Veículo Guiado Automaticamente), pois pode se locomover com certa autonomia 
obedecendo a um controle. 
 ROBÔ HUMANÓIDE - Também chamado de andróide por seu aspecto humano: anda sobre 
duas pernas (o que permite subir e descer escadas), possui dois braços (o que permite 
manipular objetos da mesma maneira que o ser humano) e tem dois sistemas de captação 
de imagem na parte frontal da cabeça (o que lhe dá visão estéreo e o mesmo ponto de vista 
de um ser humano). Por estas características pode substituir um ser humano sem 
necessidade de adaptação do ambiente. 
Elementos principais de um manipulador (ou robô industrial) 
 Braço e punho (arm-wrist) 
 O braço é a parte do manipulador que está normalmente associada ao posicionamento (x, y, 
z) no espaço físico cartesiano, ou operacional. O punho afeta essencialmente a orientação 
(θ,φ,ψ) da garra, pinça ou outros end-effector. 
 Todavia, é muito comum que haja efeitos cruzados – o braço afetar também a orientação e o 
punho, afetar a posição cartesiana. Estes componentes de um manipulador são constituídos 
por partes rígidas, os elos (links), ligadas entre si pelas juntas (joints) 
 
Controlador 
 Unidade capaz de gerar informação de ativação de um ou mais atuadores com base num 
algoritmo de controle. Os algoritmos mais comuns recorrem ao chamado controle PID 
(proporcional-integral-diferencial) 
Atuadores 
 Dispositivos que geram e impõem movimento a uma qualquer parte mecânica pelo 
desenvolvimento de forças e binários baseada num princípio físico de conversão de energia. 
Podem ser, por exemplo, motores elétricos, cilindros hidráulicos, ou pneumáticos, 
eletro-magnéticos, etc. Têm muitas vezes associados elementos adicionais de transmissão 
mecânica. 
 
Sensores 
 Elementos destinados à medição do estado interno do manipulador bem como à percepção 
do ambiente exterior. Principais tipos de sensores usados num manipulador: codificadores, 
fins-de-curso, sensores de força, detectores de proximidade capacitivos e indutivos, etc. 
Fazem a percepção. 
 
Tipos de Automações 
 
Aplicações de Robôs: 
Diversas são as razões para se utilizar o robô na indústria. 
 
A seguir daremos alguns exemplos e as vantagens e desvantagens na sua aplicação. 
 
Aplicações de robôs 
 
 Abastecimento de prensas 
 Características da tarefa: 
 Perigo (peças e partes em movimento contínuo); 
 Manipulação de cargas pesadas; 
 Barulho elevado; 
 Atividade monótona. 
 
 Manipulação de Moldes 
 Características da tarefa: 
 Operação com máquinas injetoras; 
 Perigo (temperaturas elevadas). 
 
 Abastecimento de Máquinas Ferramenta 
 Características da tarefa: 
 Operação de máquinas operatrizes; 
 Otimização do tempo; 
 Necessidade de sincronismo (máquina e robô). 
 
 Solda Ponto 
 Características da tarefa: 
 Dificuldade de solda (qualidade); 
 Atividade monótona; 
 Alta precisão (o eletrodo deve ficar perpendicular às peças); 
 Perigo (faíscas); 
 Barulho elevado. 
 
 Solda Elétrica 
 Características da tarefa: 
 Dificuldade da solda (qualidade); 
 Atividade monótona; 
 Alta precisão (movimento em velocidade constante ao longo do contorno da peça); 
 Perigo (temperatura e faíscas); 
 Barulho elevado. 
 
 Pintura Spray 
 Características da tarefa: 
 Perigo (ar poluído com tinta); 
 Precisão (qualidade e uniformidade da pintura). 
 
 Montagem 
 Características da tarefa: 
 Aplicação complexa para os robôs, pois exige grande flexibilidade; 
 Troca automática do atuador final, para lidar com peças de tamanhos e formas variadas; 
 Detecção de impacto e controle de força; 
 Utilizado na manipulação de elementos delicados; 
 A integração humana é necessária. 
 
 Acabamento 
 Características da tarefa: 
 Lixar, polir e retificar superfícies; 
 Rebarbar moldes e peças; 
 Necessidade de movimentos constantes para o acabamento ser homogêneo; 
 Atividade monótona; 
 Perigo (poeira). 
 
Componentes 
Braço mecânico 
 O braço mecânico é constituído por juntas e elos (joints and links). Os elos são usualmente 
blocos alongados rígidos, e são ligados uns aos outros através das juntas. Os elos podem 
variar a sua posição relativa e estão normalmente associados em série. Existem varias 
combinações de elos e juntas de acordo com as aplicações. 
 
Ponta ou Garra (End-effector) 
 Componente ligado à extremidade do braço, isto é, ligado ao último elo do manipulador, e 
que tem funções adicionais (agarrar ou prender um objeto, ou ainda um dispositivo com 
funções adicionais mais específicas). A ponta ou end-effector pode ser do tipo garra 
(gripper) ou uma ferramenta (tool). 
 
Garras 
Garras - Ferramentas 
 Solda; 
 Corte jacto de água; 
 Furador; 
 Polidor; 
 Pintura; 
 Aplicadores de cola; 
 
Atuadores 
Tipos de Atuação 
 Direta - O elemento móvel do atuador é acoplado à junta diretamente. 
 Indireta - o elemento móvel do atuador é acoplado à junta mediante um sistema de 
transmissão. 
 
Sensor de posição 
 Potenciômetros, V0 ( t ) = K θ ( t ) 
 
Controlador 
 O controlador é o componente que determina e, freqüentemente, monitora o movimento de 
cada junta. Geralmente o controlador faz outras operações relacionadas com a aplicação. A 
operação fundamental é a função de controle em cada junta, isto é, o processo pelo qual se 
procura que os elos/juntas fiquem posicionados ou tenham o movimento desejado numa 
dada tarefa a cumprir. Esse processo tem de verificar e corrigir os problemas decorrentes de 
ações de um certo atuador quando não é alcançado os efeitos desejados, ou seja, terá de 
haver um controle em malha fechada ou chamado controle realimentado. Note-se porém 
que há sistemas (normalmente didático) onde o controle é feito em malha aberta. Isso quer 
que os atuadores são acionados e que se espera que cumpram exatamente o previsto. 
Isso é possível em certa medida com motores passo-de-passo. 
 
Tipos de Juntas 
As juntas são essencialmente de dois grandes tipos: 
• As prismáticas (P) onde o movimento relativo dos elos é linear 
• As rotacionais (R) onde o movimento relativo dos elos é rotacional. 
• Existe ainda um terceiro tipo de junta designada por esférica (S) que no fundo é a combinação 
de três juntas rotacionais com o mesmo ponto de rotação. 
 
Graus de Liberdade e graus de Mobilidade 
 Graus de liberdade (degrees-of-freedom - DOF) é o número total de movimentos 
independentes que um dispositivo pode efetuar. Um cubo no espaço a 3 dimensões pode 
deslocar-se ao longo dos três eixos, e também rodar em torno de cada um deles, dando 
assim um total de 6 graus de liberdade para a sua movimentação. 
 Algo diferente são os graus de mobilidade, associados ao número de juntas existentes. Um 
exemplo comum desta diferença são os tripés: na verdade em cada pé temos várias juntas 
prismáticas que afeta o mesmo o mesmo movimento, isto é ao longo daquele eixo em 
particular. Se em cada pé houver 3 juntas, teremos um tripé com 3 graus de liberdade mas 9 
graus de mobilidade. Exemplos de graus de liberdade necessários para certas tarefas: 
 
Graus de Liberdade e graus de Mobilidade 
 Cada braço humano, excluindo a mão e os dedos dispõe de 7 graus de liberdade 
 
Workspace e Tipos de Manipuladores 
 Quando se classifica um robô pela sua estrutura cinemática, isto é pelo seu espaço de 
trabalho temos 5 categorias: 
 
 Cartesiana (PPP) 
 Cilíndrica (RPP) 
 Esférica (RRP) 
 Articulado horizontal ou SCARA (RRP) 
 Articulado vertical ou antropomórfico (RRR) 
Representação e arranjo cinemático 
Freqüentemente, em diversa literatura existe uma simbologia própria para representar de 
uma forma padrão um manipulador e as suas juntas. A seguir ilustra-se um caso para um 
manipulador RRP e mais uma junta esférica. 
 
Bibliografia 
 Introduction to Robotics – P. McKerrow,Addison-Wesley, 1993. 
 Robotics: Control, Sensing, Vision, and Intelligence – K. Fu, R. Gonzalez, C. Lee, 
McGraw-Hill, 1987. 
 Modeling and Control of Robot Manipulators – L. Sciavicco, B. Siciliano, McGraw-Hill, 1996. 
 Robot Manipulators: Mathematics, Programming, and Control – R. Paul, MIT Press, 1981. 
 Introduction to Robotics: Mechanics and Control – J. Craig, Addison-Wesley, 1989. 
 Fundamentals of Robotics: Analisys & Control – R. J. Schilling, Prentice-Hall, 1990. 
 Industrial Robotics: Technology, Programming, and Applications – M. P. Grover et al., 
McGraw-Hill, 1986. 
 Mechanics and Control of Robots – K. Gupta, Springer Verlag, 1997. 
 Industrial Robotics Handbook – V. Hunt, Industrial Press Inc., 1983.