RD AULA 02

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ROBÓTICA INDUSTRIAL MECATRÔNICA 
 
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MANIPULADORES ROBÓTICOS 
 
O grande escritor americano de ficção científica Isaac Asimov estabeleceu 
quatro leis muito simples para a robótica: 
 
 
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. 
 
Para melhor entendimento realizaremos uma comparação com as 
características dos robôs industriais e o corpo humano. O entendimento dessa 
ideia permite avaliar, nos sistemas robóticos, o grau de aplicação de um 
determinado braço a um determinado processo produtivo. É importante 
compreender tais fundamentos teóricos dos elementos que definem 
características físicas do braço, bem como o desempenho dinâmico e o 
sistema de controle abordado. 
 
As máquinas robóticas podem ser classificadas segundo critérios distintos. Por 
exemplo, podem ser agrupadas quanto à aplicação, quanto à cadeia 
cinemática, quanto ao tipo de atuadores, quanto à anatomia, etc. Sequer o 
termo robô possui um significado único. 
Pode tanto representar um veículo autônomo quanto um humanoide ou um 
simples braço com movimentos. O grau de interatividade com agentes 
externos permite classificá-los em totalmente autônomos, programáveis, 
sequenciais ou ainda inteligentes. De certa forma, dada à quantidade de 
aplicações que surgem a cada momento, é praticamente impossível ter-se uma 
única forma de classificação para robôs. 
Em virtude do estudo acadêmico, a abrangência aqui será limitada a robôs 
industriais. Esses são, em sua grande maioria, máquinas projetadas para 
substituir o trabalho humano em situações de desgaste físico ou mental, 
ou ainda situações perigosas e repetitivas no processo produtivo em 
indústrias. Com isso descartam-se aqueles que possuem o atrativo da forma 
humanóide, mas que são de pouca serventia no ramo industrial. Veículos 
autônomos e outras formas robóticas também ficam de fora. Na terminologia 
aqui empregada, um robô será composto de um circuito eletrônico 
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computadorizado de controle e um mecanismo articulado denominado 
manipulador. Listando os itens temos: 
� ROBÔ 
� BRAÇO MECÂNICO 
� MECANISMO ROBÓTICO 
� MANIPULADOR 
� MANIPULADOR MECÂNICO 
� MANIPULADOR ROBÓTICO 
Esses componentes passam a representar, portanto, o mesmo dispositivo, na 
estrutura de um robô. A fim de compreender melhor a tecnologia robótica, 
devemos elencar alguns fatores que caracterizam os manipuladores e que são, 
em grande parte, responsáveis por tornar uma determinada configuração de 
braço mais adequada a uma dada automação. Listando os itens temos: 
� ANATOMIA 
� VOLUME DE TRABALHO 
� SISTEMAS DE ACIONAMENTOS 
� SISTEMA DE CONTROLE 
� DESEMPENHO E PRECISÃO 
� ÓRGÃOS TERMINAIS 
� SENSORES 
� PROGRAMAÇÃO 
 
ANATOMIA E ELEMENTOS MECÂNICOS 
 
Um braço robótico normalmente é composto pelo 
conjunto braço e punho. O braço consiste de 
elementos denominados elos unidos por juntas de 
movimento relativo, onde são acoplados os 
acionadores para realizarem estes movimentos 
individualmente, dotados de capacidade 
sensorial, e instruídos por um sistema de controle. 
O braço é fixado à base por um lado e ao punho 
pelo outro. 
O punho consiste de várias juntas próximas entre si, unidas por elos 
compactos, que permitem a orientação do órgão terminal nas posições que 
correspondem à tarefa a ser realizada. Na extremidade do punho existe um 
órgão terminal (mão ou ferramenta) destinada a realizar a tarefa exigida pela 
aplicação. 
A figura abaixo mostra esquematicamente uma sequência de elos e juntas de 
um braço robótico. Nos braços reais, a identificação dos elos e juntas nem 
sempre é fácil, em virtude da estrutura e de peças que cobrem as juntas para 
protegê-las no ambiente de trabalho. 
 
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Em uma outra perspectiva um manipular robótico é apresentado, sendo 
evidenciado a composição física adotada. Os elos ficam unidos por juntas em 
uma cadeia cinemática aberta ou fechada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Numa junta qualquer, o elo que estiver mais próximo da base é denominado 
elo de entrada. O elo de saída é aquele mais próximo do órgão terminal. 
 
 
 
 
 
 
 
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A ilustração ao lado, mostra um braço robótico 
industrial, com todas as suas partes. 
Num braço mecânico antropomórfico (que se 
assemelha ao braço humano), os elos são 
denominados sequencialmente de base, braço e 
antebraço. 
 
As juntas são de rotação / revolução (R) ou 
prismática / de translação (P). 
 
 
 
 
 
 
 
z: é o eixo de rotação, ou o eixo no qual a junta prismática se deslocar 
l: representam os elos 
θ e d: são as variáveis das juntas de rotação e de translação. 
 
 
 
 
 
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As juntas podem ser rotativas, prismáticas, cilíndricas, esféricas, de parafusos 
e planares. Dependendo dos movimentos permitidos pelas juntas, elas podem 
se mover em uma duas ou três direções, ou graus de liberdade (GL). 
• JUNTA PRISMÁTICA OU LINEAR 
Move-se em linha reta. São compostas de duas hastes que deslizam entre si. 
 
 
 
 
 
• JUNTA ROTACIONAL 
Gira em torno de uma linha imaginária estacionária chamada de 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, e permite rotações em 
torno de três eixos distintos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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• JUNTA TIPO FUSO OU PARAFUSO 
É constituída de um parafuso e uma rosca que executa um movimento 
semelhante ao da junta prismática, porém, com movimento de rotação no eixo 
central (movimento do parafuso). 
 
 
Robôs industriais utilizam em geral apenas juntas rotativas e prismáticas. A 
junta planar pode ser considerada como uma junção de duas juntas 
prismáticas, e, portanto, é também utilizada. 
 
 
 
As juntas rotativas podem ainda ser classificadas de acordo com as direções 
dos elos de entrada e de saída em relação ao eixo de rotação. Quanto a sua 
classificação temos: 
 
� ROTATIVA DE TORÇÃO OU TORCIONAL T 
Os elos de entrada e de saída têm 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 
Os elo de entrada possui a mesma direção do eixo de rotação, mas o elo 
de saída é perpendicular a este. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DAS JUNTAS 
 
 
 
As juntas robóticas são acionadas por atuadores: 
 
ELÉTRICOS - elétricos são os mais utilizados industrialmente, principalmente 
pela disponibilidade de energia elétrica e pela facilidade de controle. 
HIDRÁULICOS - indicados quando grandes esforços são necessários; robôs 
de maior porte. 
PNEUMÁTICOS - só têm aplicação em operações de manipulação em que não 
são obrigatórias grandes precisões, devido à compressibilidade do ar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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GRAUS DE LIBERDADE DO BRAÇO HUMANO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O número de juntas, em uma cadeia cinemática aberta, determina os graus de 
liberdade (GDL) do manipulador. 
Tipicamente um manipulador possui 6GDL: 
� 3 GDL para o posicionamento da ferramenta; 
� 3 GDL para a orientação da ferramenta. 
 
 
O espaço de trabalho de um manipulador é o volume total percorrido peloefetuador (órgão terminal ou ferramenta) dadas todas as possibilidades de 
execução de movimento do robô. O espaço de trabalho é limitado pela 
geometria do manipulador, bem como pelas restrições físicas das juntas 
(limites mecânicos). 
 
Para um mesmo espaço de trabalho, os elos com juntas rotacionais ocupam 
um menor volume de instalação em relação aos elos com juntas prismáticas 
(SCARA x Cartesiano). 
 
 
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PRECISÃO E REPETIBILIDADE 
Precisão é a medida (erro) de quão próximo o manipulador pode alcançar um 
determinado ponto no seu espaço de trabalho. Repetibilidade é um termo 
estatístico que descreve a capacidade do manipulador repetir o posicionamento 
em um ponto programado. 
 
 
A posição programada não é alcançada e o erro é repetido. Portanto a 
repetibilidade é alta e a precisão é baixa. 
 
PRECISÃO E REPETIBILIDADE 
A precisão pode ser afetada por: 
- erros de computação; 
- imprecisões mecânicas de fabricação dos robôs; 
- folgas de engrenagens; 
- efeitos de flexibilidade das peças sob cargas gravitacionais e de inércia (altas 
velocidades); 
 
 
 
 
 
 
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GEOMÉTRIA DOS ROBÔS 
 
Com base nos três primeiros graus de liberdade, pode-se classificar os robôs 
industriais em cinco configurações geométricas: 
• Articulado (RRR) 
• Esférico (RRP) 
• SCARA (RRP) 
• Cilíndrico (RPP) 
• Cartesiano (PPP) 
 
Sobre as siglas temos R que significa junta rotativa e P que significa junta 
prismática. 
 
CLASSIFICAÇÃO QUANDO O TIPO DE MECANIZAÇÃO DOS ROBÔ S 
 
ROBÔ ARTICULADO (RRR) 
 
Liberdade de movimento grande e volume de trabalho compacto, mais versátil 
dos robôs industriais. 
 
 
 
 
 
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ROBÔ ESFÉRICO (RRP) 
Substitui a junta rotativa do cotovelo do robô articulado por uma junta 
prismática. 
 
 
As coordenadas que definem a posição do órgão terminal do robô são 
esféricas (θ1 , θ2, d3). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ROBÔ SCARA (RRP) 
Selective Compliant Articulated Robot for Assembly, Configuração recente que 
rapidamente se tornou popular - adequada para montagens. Tem três eixos, 
todos verticais e paralelos z0 , z1 e z2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ROBÔ CILÍNDRICO (RPP) 
A primeira junta é rotativa enquanto a segunda e terceira juntas são prismáticas 
As variáveis das juntas são coordenadas cilíndricas (θ1 , d2 , d3 ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ROBÔ CARTESIANO (PPP) 
As três primeiras juntas são prismáticas. É o manipulador de configuração mais 
simples, sendo muito empregado para armazenamento de peças.