Braço robótico antropomórfico

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Centro Universitário Sociesc de Curitiba
Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial
Artigo - Projeto Interdisciplinar l
Dezembro de 2002, UFRGS, Porto Alegre - RS
	
	
Manipulador Robótico Antropomórfico
André Luiz Paulo Gomes (andreluiz_18link@hotmail.com, UNISOCIESC, Paraná, Brasil)
Gabriel Kniphoff (gabrieltrevis22@gmail.com, UNISOCIESC, Paraná, Brasil)
John Feldmann (johnfeldmann7@gmail.com, UNISOCIESC, Paraná, Brasil)
Marcio Bigaton (marcio.bigaton@gmail.com, UNISOCIESC, Paraná, Brasil)
Raquel Coelho (raquel_h16@hotmail.com, UNISOCIESC, Paraná, Brasil)
Robson Aparecido Clemente (robsonapclemente@hotmail.com, UNISOCIESC, Paraná, Brasil)
 
Resumo: A proposta deste trabalho é o estudo de um manipulador robótico, e como base de testes para novas tecnologias. Este conhecimento dos movimentos de um braço robótico permite-nos compreender de uma melhor forma o processo de automação e controle via programação o que auxilia o seu preparo para o mercado de trabalho. Como resultados, obteve-se um braço robótico de baixa dificuldade com quatro graus de liberdade do tipo antropomórfico, fabricado em acrilíco, além de ter funções similares aos braços utilizados em indústrias, como a função de ensinar e uma tentativa de implementação de movimentos retilíneos, desenvolvida a partir de conceitos de cinemática de robôs manipuladores. A liagação de programação obtem uma área de comando direto do robô através de um terminal, e outro, para a programação de códigos, os quais foram gravados em um Arduino UNO e executados.
Palavras-chave: Braço manipulador; Robótica.
1. Introdução
O primeiro robô industrial foi o Unimates, desenvolvido por George Devol e Joe Engleberger, no final da década de 50, início da década de 60. As primeiras patentes de máquinas transportadoras pertenceram a Devol, máquinas essas que eram robôs primitivos que removiam objetos de um local para o outro. Engleberger, por sua vez, pela construção do primeiro robô comercial foi apelidado de “pai da robótica”. 
Atualmente, no contexto industrial, um robô pode ser definido como um
dispositivo eletromecânico, controlado por uma central lógica computadorizada de
programação versátil, o que propicia a realização de uma grande variedade de
tarefas de maneira automatizada (ARNOLD e HENRIQUES, 2001).
Romano (2002) aprofunda o conceito de robô, afirmando tratar-se de um
sistema industrial (hardware e software) constituído de: manipulador, fonte de
energia, controlador, órgãos terminais e quaisquer equipamentos, dispositivos ou
sensores aos quais o robô está conectado para realizar suas tarefas; e qualquer
interface de comunicação entre o robô e o sistema que o está operando e
monitorando.
Os robôs, particularmente os manipuladores, vieram ao mercado com a
intenção de estender a capacidade de realização do ser humano. Seu desempenho
não é dado apenas pelo grau de autonomia, mas também, pela observância das
características do trabalho desenvolvido pelo ser humano.
A implantação dos robôs articulados nas indústrias atende cada dia mais as
necessidades atuais, trazendo soluções para problemas como de produtividade,
precisão e qualidade, diminuindo consideravelmente o número de funcionários
afastados por problemas de esforços repetitivos (GOZZI, 2002).
Desta forma, os robôs industriais necessitam apresentar-se cada vez mais
confiáveis e precisos. Contudo, os custos de produção deste equipamento e de
aquisição são geralmente elevados. 
 O conceito de robô ou servo do homem tem ocupado a mentalidade do ser humano. Um exemplo contemporâneo dessa realidade foi dado pelo grande contributo de Isaac Asimov, que chegou a definir as Leis da robótica por volta de 1950:
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 e 2ª lei.
2.1 Tipos de manipuladores robóticos industriais
	Existem diversos tipos de robôs industriais e cada um desses tipos pode ser empregado para realizar tarefas específicas com maior clareza e perfeição. Esses tipos de robôs surgem por meio de combinações de juntas e elos para se obter a configuração desejada.
	Robôs de coordenadas Cartesianas são dotados de três articulações deslizantes conhecidas como PPP. Esses robôs são caracterizados principalmente por sua pequena área de trabalho, e por possuírem um alto grau de rigidez mecânica. Além disso, esse tipo de manipulador possui grande exatidão na localização do atuador (ROSÀRIO, 2005).
	Segundo Carrara (2004), um robô de configuração simples (coordenadas cartesianas) trabalha deslocando as três juntas, uma em relação à outra. 
Robôs de coordenadas cilíndricas são compostos basicamente de três juntas, uma rotacional e duas prismáticas (RPP). Essas juntas são combinadas e formam movimentos rotacionais e lineares com uma área de trabalho um pouco maior que os robôs de coordenadas cartesianas (COCOTA, 2012). Devido ao movimento das juntas e seu controle um pouco mais complexos, sua rigidez mecânica é ligeiramente menor que os robôs de coordenadas cartesianas.
	Segundo Cocota (2013), esse tipo de robô possui um modelo cinemático mais simples, de fácil visualização, e pode ser dotado de atuadores hidráulicos potentes. 
Robôs de coordenadas esféricas (RRP) possuem uma área de trabalho maior que os robôs cilíndricos, e a uma menor rigidez mecânica. Este tipo de robô é dotado de dois movimentos rotacionais e seu controle é ainda mais complexo que os robôs cilíndricos.
Robôs com articulações horizontais (RRP) são conhecidos também como robôs SCARA, e sem sua estrutura de juntas, é composto por duas juntas de rotação e uma prismática. Segundo Bayer (2011), esse robô é dedicado principalmente às atividades de montagem e geralmente possuem 4 graus de liberdade, bastante utilizado na indústria eletrônica para montagem de placas de componentes em placas de circuito impresso.
Robôs com articulações Verticais (RRR) assim como os com articulações horizontais, possuem uma grande flexibilidade e podem ocupar uma grande área de trabalho. Geralmente este tipo de robô funciona com atuadores elétricos. Porém, uma grande desvantagem é que possuem uma cinemática complexa e controle difícil dos movimentos lineares. De acordo com Bayer (2011), por ser bastante versátil, e dotado de uma grande resistência mecânica, é conhecido por ser o modelo mais utilizado na indústria, realizando tarefas como manipulação de componentes, solda, pintura e automação de linhas de produção.
3.1 Fundamentos
A robótica abrange tecnologia de mecânica, eletrônica e computação. Além disso, participam em menor grau, teoria de controle, microeletrônica, inteligência artificial, fatores humanos e teoria de produção. 
Na terminologia apresentada para robôs industriais, um robô será composto de um circuito eletrônico computadorizado de controle e um mecanismo articulado denominado manipulador.
No braço robótico temos os elos unidos por juntas de movimento relativo. O braço é fixado a base por um lado e ao punho pelo outro.
As juntas são acopladas aos acionadores para realizarem os movimentos individualmente. São dotadas de capacidade sensorial e instruídas por um sistema de controle.
Figura 1 – Diferença entre elos e juntas.
Fonte: Gozzi (2002).
Figura 2 – Braço robótico industrial.
Fonte: GOZZI (2002)
Um dos fatores mais importantes para determinar a característica de um manipulador robótico industrial é definir o número de graus de liberdade, pois este fator determina a quantidade e os tipos de movimentos que o manipulador será capaz de executar. Segundo Campbell (2008), o número de articulações, juntas que compõe o braço do manipulador, é um dos fatores que podem determinar o grau de liberdade. Segundo Carrara (2004), o grau de liberdade total de um manipulador pode ser definido por meio do somatório de todos os graus de liberdade das juntas,e quanto maior o grau de liberdade, mais complexa sua cinemática. Além disso, a complexidade de controlar um manipulador está diretamente ligada à quantidade de graus de liberdade, já que quanto maior o grau de liberdade, mais difícil é o seu controle. O braço do manipulador robótico é a parte que está ligada diretamente ao posicionamento no espaço físico cartesiano, ou operacional. De certo modo, o braço do manipulador é a parte que se movimenta nos eixos x, y e z. Como dito anteriormente, é composto por elos e juntas, que é fixado em uma base por um lado (elo de entrada) e em um punho por outro (elo de saída). A figura a seguir apresenta a configuração de um braço robótico (GROVEER, 1988).
4.1 Juntas e articulações
Figura 3 – Robô manipulador PUMA mostrando juntas e elos.
Fonte: Lopes (2002).
Figura 4 – Sequência de elos numa junta de braço robótico
Fonte: Groveer (1988)
As juntas de um manipulador robótico permitem que esse se mova em várias posições. Além disso, podem ser de diferentes tipos, os mais comuns são: junta prismática ou linear, junta rotacional, junta esférica, junta cilíndrica, junta planar e junta parafuso (CARRARA, 2004).
Figura 5 – Tipos de juntas em robôs.
Fonte: Groveer (1988)
Ainda em relação aos elementos físicos que compõe um manipulador robótico industrial, destacam-se os atuadores e os sensores. Os atuadores são os elementos que convertem algum tipo de energia em movimento mecânico, ou seja, são responsáveis por dar a movimentação dos braços robóticos. Esses atuadores podem ser de diversos tipos, e são classificados em atuadores hidráulicos e pneumáticos, e atuadores eletromagnéticos (CAMPBELL, 2008; INÁCIO, 2009). Esses atuadores são acionados por fluidos em movimento. Os hidráulicos são acionados por algum líquido enquanto os pneumáticos por ar comprimido. Já os atuadores eletromecânicos são principalmente motores que são acionados por energia elétrica. Esses atuadores podem ser: motores de passo, servomotores, motores de corrente contínua, entre outros (INÁCIO 2009).
Para determinar qual tipo de atuador que deve ser usado em um manipulador, deve-se levar em consideração o propósito final do manipulador, ou seja, a tarefa no qual o manipular foi designado para executar, a quantidade de carga que deve suportar, velocidade de trabalho, precisão, espaço de trabalho, entre outros.
Além dos atuadores, os sensores são de extrema importância para os manipuladores, isto porque, eles convertem grandezas físicas em sinais elétricos. Um robô equipado com sensores permite que sejam obtidas informações em tempo real a respeito de sua velocidade, posição, localização de uma peça, assim como, detalhes sobre a peça a ser manipulada, obstáculos, e aproximação de um humano (MORAES, 2003).
Segundo Ribeiro (2004), os sensores podem ser classificados em sensores externos e sensores internos. Os sensores externos estão ligados com a observação do mundo exterior ao robô, como: sensores de contato, de proximidade, de força, de distância, de laser, entre outros. Já os sensores internos fornecem informações a respeito do robô, como: velocidade de atuação, sentido de giro, ângulo da junta, entre outros.
Prismática ou linear, movem-se em linha reta. São compostas de duas hastes que deslizam entre si, Sendo rotativa de torção ou torcional T.
Os elos de entrada e de saída tem a mesma direção do eixo de rotação da junta. Na rotativa rotacional R os elos de entrada entrada e de saída são perpendiculares perpendiculares ao eixo de rotação rotação da junta. E na rotativa revolvente V o elo de entrada possui a mesma direção do eixo de rotação, mas o elo de saída e perpendicular a este.
Figura 6 - Sistema de automação
Fonte: GOZZI (2002) 
Figura 7 - Comparativo de movimentação dos braços humano e robótico.
Fonte: Gozzi (2002).
5.1 Mecânica
Nas articulações de um robô industrial articulado é necessário torque para movimentar os eixos, por isso necessita de redutores em suas articulações, mostraremos a seguir o funcionamento de um redutor. 
O redutor de velocidade é um equipamento com função principal a redução da rotação de um acionador.
Assim os componentes básicos necessários para redução de velocidades são rolamentos, eixos de entrada e saída, carcaça e engrenagens. 
Então enquanto menos for a rotação do motor em relação a rotação dos eixos a velocidade será maior e a operação inversa com a rotação do motor maior do que o eixo, causa em aumento na força torque.
Considerando as leis da física, quando a rotação diminui o torque será aumentado (INDUSTRIA HOJE).
Figura 5 – Redutor de velocidade de um robô articulado.
Fonte: Nabtesco (2018)
Para movimentar os eixos dos robôs articulados são necessários motores e o mais indicado para este trabalho é o servo motor.
Os servos motores são motores que nos fornecem uma excelente precisão, uma excelente velocidade e também dependendo do modelo de servo um excelente torque. (CITISYSTEMS 2012).
Figura 6 –Servo motor citisystems.
Fonte: Citisystems (2013)
Abaixo, podemos identificar uma tabela em que é possível comparar o servo motor com diferentes atuadores utilizados hoje em dia na indústria, suas vantagens e desvantagens:
Tabela1 – Tipos de atuadores.
	Tipo Acionamento
	Pontos Fortes
	Pontos Fracos
	Dispositivo Mecânico
	Dispositivo Hidráulico / Pneumático
	– Estrutura simples.
 
– Preço competitivo.
	– Baixa acurácia.
– Pode produzir vibração.
– Pode poluir o ambiente.
	Dispositivo Eletromecânico
	Motor de Passo
	– Controlador simples.
– Preço competitivo.
	– Altos ruídos e vibrações.
– Não possui tamanhos elevados.
	
	Motor de Indução
	– Preço competitivo.
	– Não se aplica a alta precisão.
	
	servo motor
	– Alta precisão no controle.
– Torques altos e Força motriz elevada.
– Ruídos e vibrações baixos.
– Excelente manutenção.
	– Preço um pouco elevado.
	
	Motor Linear
	– Alta velocidade e precisão no controle.
– Sem conversão mecânica.
	– Preço elevado.
Fonte: Citisystems (2013)
6.1 Programação de Robôs Industriais
A programação de um robô pode ser definida como o processo mediante o qual se indica a sequência de ações que o robô deverá cumprir durante a realização de uma dada tarefa. 
Existe uma normalização para os procedimentos de programação, Norma ISO TR 10562. Entretanto, cada fabricante desenvolveu seu próprio método, válido unicamente para seus próprios robôs.
6.2 Programação por aprendizagem (on-line)
Consiste em ensinar o robô guiando-o através da trajetória desejada pelo usuário.
Passiva: O programador define a trajetória mais adequada; Aplicação típica: Pintura. 
Ativa: O programador usa uma caixa de aprendizagem (teach-in box); Aplicações típicas: Soldagem a ponto; Paletização.
Vantagens: útil e imprescindível em muitas ocasiões; fácil de aprender e utilizar. 
Desvantagens: necessidade de utilizar o próprio robô e seu ambiente de trabalho para realizar a programação, obrigando a interromper a linha de produção. Cada movimento do operador é gravado e reproduzido de forma idêntica, incluindo movimentos não intencionais, a menos que haja mecanismo de edição. Uma vez que a geração dos caminhos é feita manualmente, não é possível se obter alta precisão nem uma velocidade ótima para cada trajetória. Dificuldade de integração de informação sensorial.
6.3 Movimentos possíveis em programação por aprendizagem
Ponto a ponto: o robô se movimenta de uma posição inicial a outra final, sem que posições intermediárias sejam inseridas na programação da trajetória. 
Movimento contínuo: o robô se movimenta através de pontos com pequenos incrementos entre si, armazenados ao longo de uma trajetória previamente percorrida. 
Controle de trajetória: Envolve o controle coordenado de todas as juntas, para percorrer uma trajetória desejada ao longo de 2 pontos.
6.4 Programação textual (off-line)
Permite indicar a tarefa ao robô mediante o uso de uma linguagem de programação de alto.
Vantagens da programação textual (off-line) 
Redução do tempo ocioso: O robô pode ser mantido na linha de produção, enquanto a próximatarefa está sendo programa. 
Operação mais segura: Redução no tempo de permanência do operador próximo ao robô.
 Simplificação de programação: Pode-se usar a forma off-line para programar uma grande variedade de robôs, sem a necessidade de se conhecerem as peculiaridades de cada controlador. 
Integração com sistemas CAD/CAM: habilita a interface com o banco de dados de peças, centralizando a programação de robôs com esses sistemas. 
Depuração de programas: Para sistemas integrados com CAD/CAM, ao se utilizar modelos para simular o comportamento real do robô pode-se detectar colisões dentro do espaço de trabalho evitando assim danos ao equipamento. 
6.5 Limitações da programação textual (off-line)
Dificuldade em se desenvolver um sistema de programação generalizado que seja independente do robô e de suas aplicações. Para reduzir a incompatibilidade entre robôs e sistemas de programação, faz-se necessário definir padrões para as interfaces. Programas gerados off-line devem levar em conta os erros e imprecisões entre o modelo idealizado e o mundo real. 
Modelo teórico e realidade não batem: 
Imprecisão na montagem dos componentes, falta de rigidez na estrutura do robô, resolução insuficiente do controlador, imprecisão numérica e a dificuldade na determinação precisa dos objetos com relação ao sistema de coordenadas utilizado.
6.6 Classificação da Programação textual 
Nível de Robô: As instruções do programa se referem aos movimentos a serem realizados pelo robô; É especificado cada um dos movimentos do robô incluindo velocidade, direções de aproximação e saída, abertura e fechamento da garra, etc. É necessário decompor a tarefa global em várias sub-rotinas como movimentar o robô, agarrar os objetos, realizar uma inserção, etc. 
Nível de Objeto: As instruções do programa se referem ao estado em que os objetos manipulados devem ficar; A complexidade do programa diminui; A programação se realiza de maneira mais conveniente, pois as instruções se realizam em função dos objetos a manipular. 
Nível de Tarefa: As instruções do programa se referem ao objetivo a alcançar; O programa pode ser reduzido a uma única instrução.
7.1 Automação
É uma tecnologia que faz uso de sistemas mecânicos, elétricos, eletrônicos e de computação (emprego de robôs) para efetuar o controle de processos produtivos.
Pode ser fixa, flexível ou programável. Para as fixas as máquinas são específicas para o produto a ser produzido. Na automação flexível a máquina pode ainda ser programada para produzir um produto semelhante. E a programável tem uma alta produção de variedades de produtos diferentes, e é empregada, por exemplo, numa linha de montagem automotiva.
Os robôs são totalmente programáveis, possuem braços móveis e são empregados em uma variedade de atividades, como:
· Carregamento e descarregamento de máquinas;
· Soldagem;
· Pintura e jateamento;
· Processos de conformagem e usinagem.
3) Resultados e discussão
Ao termino das pesquisas chegamos à conclusão que os resultados obtidos se assemelham aos já existentes no mercado. Embora a movimentação do robô desenvolvido ainda não esteja conforme planejado (movimentos bruscos de algumas articulações), para aplicação de manipulação ou carga e descarga de materiais, o protótipo supre satisfatoriamente as necessidades.
 	Com enfase nas pesquisa foi confirmada a possibilidade da criação e programação de um braço robótico. 
4) Considerações finais
O Braço Robótico é um braço mecânico desenvolvido para quem está iniciando no ramo de automação de robôs, proporcionando diversas possibilidades de movimento e ações. Comumente utilizado para executar determinado movimento, ele é utilizado junto de plataformas de prototipagem como, Raspberry Pi e Arduino. 
Desenvolvido com o intuito de ser considerado uma ferramenta de baixo custo e grande funcionalidade, o Braço Robótico Acrílico deve ser montado junto de 4 Micro Servo Motores de 180º, responsáveis pelos movimentos executados pelo mesmo.
Comumente os Servos são conectados diretamente ao Arduino, porém neste caso como trabalhamos com uma maior quantidade 	de servos, faremos uso de um drive controlador capaz de alimentar e controlar os servos motores em questão sem reduzir a sua capacidade e conseguindo suprir a corrente necessário por todos os equipamentos.
Para realizar o controle do movimento de cada motor, vamos utilizar dois joysticks que conforme será movimentado, irá realizar o movimento do servo e consequentemente do braço robótico de forma instantânea.
Referências
http://www.citi.pt/educacao_final/trab_final_inteligencia_artificial/historia_da_robotica.html
VÍTOR M. F. SANTOS (2003-2004) - Robótica Industrial;
ALYSSON RODRIGO PTASNEK (2009) - Robô µCA Microcontrolado Articulado;
https://blog.usinainfo.com.br/braco-robotico-para-arduino/
https://industriahoje.com.br/redutor-velocidade
https://www.nabtesco.de/applikationen/robotik/
https://www.citisystems.com.br/servo-motor/
https://www.ime.usp.br/~adao/SR1A.pdf
LUCAS KENZO KATO (2015) – Braço robótico para fins didáticos;
PAULO VICTOR GALVÃO SIMPLÍCIO (2016) – Manipuladores robóticos industriais;
PMR2560 Elementos de Robótica – Departamento de Engenharia Mecatrônica Escola politécnica da USP – 09/2003.
		Estudos qualitativos com o apoio de grupos focados
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