INTRODUÇÃO À ROBÓTICA Pablo Javier Alsina Departamento de Engenharia de Computação e...
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INTRODUÇÃO À ROBÓTICA
Pablo Javier Alsina
Departamento de Engenharia de Computação e Automação
DCA/CT/UFRN
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ROBÓTICA: CONCEITOS BÁSICOS
• Robô: Máquina programável de propósito geral que tem existência no mundo físico e atua nele através de movimentos mecânicos.
• Espaço de Trabalho: Região do mundo que o robô pode alcançar através dos seus movimentos, onde pode levar a cabo as tarefas programadas.
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Exemplo de Robô em seu Espaço de Trabalho
Espaço de Trabalho
-10o 1 90o
0o 2 180o
12
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Robô Manipulador Industrial:
Robotic Industries Association (RIA): “manipulador multifuncional reprogramável, projetado para movimentar materiais, partes, ferramentas ou peças especiais, através de diversos movimentos programados, para o desempenho de uma variedade de tarefas”.
Norma ISO 10218: “máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel, para utilização em aplicações de automação industrial”.
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Características Gerais:
Braço manipulador – emula a função do braço humano: através do seu movimento manipula objetos (ferramentas, peças, etc.) no seu espaço de trabalho.
Pelo menos um ponto da sua estrutura é fixo na sua base.
Seu espaço de trabalho é limitado a uma região próxima
a esse ponto fixo.
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HISTÓRICO
Antecedentes:
Século XVIII:
- bonecos mecânicos / calculadoras mecânicas.
Século XIX:
- tear programável de Jacquard / Máquina analítica de Babbage.
- Frankenstein (Mary Shelley).
Século XX:
- 1920: Karel Capek - Robôs Universais de Rossum.
- 1939: Asimov - “três leis da Robótica”.
- 1943: Colossus – 1o computador eletrônico (Inglaterra).
- 1951: teleoperador mestre-escravo / Whirlwind - 1o computador tempo real.
- 1952: máquina ferramenta de comando numérico (MIT).
Robô Manipulador = teleoperadores + comando numérico
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HISTÓRICO
1a Geração – (a partir da década de 50):
- Dotados apenas de sensores proprioceptivos (percebem apenas estados internos).
- Requerem um ambiente estruturado, com posicionamento preciso dos objetos.
- Robôs de seqüência fixa, repetem uma mesma seqüência de movimentos.
- Precisam ser reprogramados para executar uma nova seqüência.
- Dotados de pequeno poder computacional.
- 1954: Devol - patente de dispositivo de transferência programada de artigos.
- 1962: Devol/Engelberger - Unimation.
- 1971: braço elétrico de Stanford.
- 1973: WAVE - 1a linguagem de programação de robôs.
- 1974: linguagem AL.
- 1979: linguagem VALII.
- 1981: Direct-Drive (Carnegie-Mellon).
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HISTÓRICO
2a Geração – (a partir da década de 80):
- São dotados de sensores proprioceptivos e externoceptivos (percebem o estado atual do ambiente). Exemplo: visão e tato.
- Podem atuar em um ambiente parcialmente estruturado.
- Exemplo: reconhecer um objeto a ser manipulado fora da sua posição ideal e alterar, em tempo real, os parâmetros de controle, de modo a completar a tarefa.
3a Geração – (a partir da 2o metade da década de 90):
- Fazem uso intensivo de sensores, algoritmos de percepção e algoritmos de controle inteligentes, bem como são capazes de comunicar-se com outras máquinas.
- São capazes de tomar decisões autônomas frente a situações não previstas.
- Podem atuar em um ambiente não estruturado.
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Aplicações de Robôs Manipuladores
• Robôs manipuladores industriais geralmente trabalham integrados em Células de Trabalho, associados a outras máquinas:
– Máquinas de comando numérico.
– Veículos de Guiado Autmático (AGV's).
– Sistemas de armazenagem automática (AS/RS - Automatic Storage/Retrieval System)
– Esteiras.
– Pontes rolantes.
– Outros robôs.
– etc.
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• A) Estação de posicionamento sobre o transportador para carga/descarga.
• B) Eixo transversal para aumentar o espaço de trabalho do robô.
• C) Estação de inspeção por computador integrada ao robô.
• D) Estação de montagem.
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Carga e Descarga (Pick and Place):
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Armazenamento Automático (AS/RS):
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Empacotamento em paletas (pallets):
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Transporte de materiais:
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Montagem automatizada:
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Soldagem:
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Aplicação de resina:
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Devastação:
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Estrutura do Robô Manipulador:
• Robô Manipulador: Conjunto de corpos rígidos, (chamados elos), interligados em uma cadeia cinemática aberta através de juntas, as quais são acionadas por atuadores de modo a posicionar a extremidade livre da cadeia (órgão terminal, efetuador, garra ou ferramenta) em relação à outra extremidade, que é fixa (base do manipulador).
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JuntasGarra
Elos
Base
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• Junta: Interligação entre dois elos que permitem o movimento relativo entre os mesmos numa única dimensão ou Grau de Liberdade.
• Junta Rotacional: Permite a mudança da orientação relativa entre dois elos.
• Junta Prismática: Permite a mudança da posição relativa entre dois elos.
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O BRAÇO MANIPULADOR ANTROPOMÓRFICO
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PARTES DO ROBÔ MANIPULADOR
• Base (ou torso): Parte do manipulador presa ao chão, onde é fixa a estrutura.
• Braço: – As três primeiras juntas, ligadas à base.
– Determinam predominantemente a posição do órgão terminal.
– Deve possuir atuadores potentes.
• Punho:– As três últimas juntas, ligadas ao órgão terminal.
– Determinam predominantemente a orientação do órgão terminal.
– Deve possuir atuadores leves.
• Órgão Terminal:– Ligado ao punho
– Interage com os objetos no espaço de trabalho realizando a manipulação.
– Pode ser uma garra (com dedos para segurar objetos) ou uma ferramenta específica.
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PARTES DO BRAÇO
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Mecanismo de braço tipo cartesiano
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Mecanismo de braço tipo cilíndrico
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Mecanismo de braço tipo esférico
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Mecanismo de braço tipo multi-juntas vertical (articulado ou antropomórfico)
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Mecanismo de braço tipo multi-juntas horizontal (SCARA)
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Espaço de TrabalhoVolume do espaço alcançado pelo manipulador
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Exemplo de especificação de Espaço de Trabalho
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Mecanismo de Punho:
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ÓRGÃOS TERMINAIS
• Garras: órgãos terminais específicos para pegar objetos.
• Ferramentas: órgãos terminais para finalidades diversas.
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Garras
– Mecânicas: pegam pressionando o objeto entre dedos (que podem ser intercambiáveis).
• Por movimento pivotante.
• Por movimento linear.
• Mãos antropomórficas.
– De Sucção: pegam através da criação de um vácuo entre a garra e a peça. • requerem superfícies limpas e sem furos.
– Magnéticas: pegam através da atração magnética entre a garra e a peça. • São rápidas, independem da forma e dos orifícios da peça.
• Funcionam apenas com materiais ferromagnéticos, podem pegar peças indesejadas e podem deixar magnetismo residual nas mesmas.
• Aquelas a imã permanente requerem dispositivo para soltar a peça.
– Adesivas: pegam pelo contato com substância adesiva (que deve ser renovada de tempos em tempos).
– Balões: pegam objetos côncavos através da pressão ao serem inflados.
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FERRAMENTAS
• Ferramentas para soldagem a ponto.
• Maçaricos.
• Pistolas de pintura.
• Mandris– Perfuração.
– Polimento.
– Retífica.
• Aplicadores de cola ou resina.
• Ferramentas de corte por jato de água.
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HARDWARE DE UM MANIPULADOR
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COMPONENTES DO HARDWARE
Operador
Estação deTrabalho
Apêndicede Ensino
Controladordo
Robô
Acionamento
Aquisição de Dados
Atuadores
Sensores
ROBÔ
Outras máquinas...
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Estação de Trabalho:
• Computador que implementa a interface amigável com o operador.
• Permite que este programe as tarefas a serem executadas pelo braço.
• Através dela o programa é carregado no Controlador de Robô.
• Pode ser compartilhada por outras máquinas da célula de trabalho.
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Apêndice de Ensino (Teach Pendant):
• Caixa de controle ligada diretamente por um cabo ao controlador do robô
• Equipada com teclas de funções que normalmente permitem que as juntas do robô sejam acionadas uma por uma.
• A seqüência de movimentos pode ser gravada e utilizada pelo controlador do robô para repetir a tarefa “ensinada”.
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Controlador do Robô:
• Computador dedicado que interpreta o programa do robô.
• Executa as tarefas programadas através de algoritmos de controle das juntas.
• Algoritmos de controle monitoram através dos sensores o erro de posição.
• Algoritmos de controle determinam o esforço que deve ser aplicado pelos atuadores de modo a executar as tarefas programadas.
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Sensores:
• Posição: detectam a posição das juntas do manipulador. – Potenciômetros: tensão proporcional ao ângulo da junta.
– Resolvers: tensão proporcional ao ângulo da junta.
– Encoders: ângulo da junta codificado digitalmente. • Incrementais: contam pulsos correspondentes a incrementos angulares.
• Absolutos: fornecem diretamente o código binário correspondente ao ângulo.
• Velocidade: detectam a velocidade das juntas do manipulador.– Tacômetros: tensão proporcional à velocidade da junta.
• Torque e força: detectam o torque e a força aplicados pela garra. – Células de carga: tensão proporcional ao esforço na sua superfície.
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Aquisição de dados:
• Circuitos de condicionamento e conversão analógico/digital dos sinais fornecidos pelos sensores. Transformam a informação provinda nos sensores num código numérico manipulavél pelo Controlador do Robô.
• Placas I/O digital: permitem receber e enviar sinais on/off para sincronização das tarefas.
Acionamento:
• Circuitos de potência comandados pelo Controlador do Robô de modo a aplicar nos atuadores a energia necessária para realizar os movimentos programados.
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Atuadores:
• Realizam a conversão da energia disponível em energia mecânica para movimentar o braço. – Hidráulicos: utilizam um fluido a pressão para movimentar o braço.
• Usados em robôs grandes.
• Grande potência e velocidade, mas baixa precisão.
– Elétricos: motores elétricos (de passo, servos CC ou CA) ou músculos artificiais (ligas de Nitinol).
• Usados em robôs de médio porte.
• Maior precisão.
– Pneumáticos: utilizam um gás a pressão para movimentar o braço. • Usados em robôs de pequeno porte.
• Baixa precisão. Limitados a operações do tipo pega-e-coloca.
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Programação de Tarefas:
O robô deve executar uma seqüência de tarefas (missão).
As tarefas podem ser: Deslocamentos. Operações.
As tarefas devem ser programados previamente pelo operador.
Existem duas abordagens: Programação On-Line. Programação Off-Line.
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Programação On-Line:
• Programador conduz o braço através de apêndice de ensino (teach-pendant), de teleoperador mestre-escravo ou de linguagem de programação textual.
• A posição do robô medida pelos sensores, bem como as operações executadas são gravadas.
• As tarefas gravadas são reproduzidas posteriormente pelo robô na linha de montagem.
• Desvantagem: é necessário parar a operação do robô durante a programação.
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Algoritmos de controle básico:
• Ponto a Ponto: grava-se apenas os pontos inicial e final de cada movimento. O movimento entre eles não interessa.
• Movimento Contínuo: grava-se pontos separados por pequenos incrementos ao longo do caminho especificado.
• Controle de Trajetória: Os pontos são gravados a uma taxa contínua, com as juntas conduzidas em uma trajetória suave e coordenada.
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Programação com Apêndice de Ensino:
• O operador comanda as juntas manualmente através do apêndice de ensino.
• Grava-se a seqüência de pontos intermediários e objetivos alcançados, bem como as operações realizadas.
• O apêndice de ensino pode incluir outras teclas (definir velocidade, entrar parâmetros de trajetória, programar tarefas, etc.).
• Os dados gravados devem ser organizados em uma seqüência lógica.
• Desvantagem: não é fácil movimentar a ferramenta por meio de teclas. Movimento coordenado é praticamente impossível.
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Programação por Linguagem Textual:
• Tarefas definidas por meio de programa em linguagem de programação específica.
• Programa desenvolvido em ambiente de programação disponível na Estação de Trabalho.
• Programa carregado no Controlador do Robô para ser interpretado.
• Linguagem inclui comandos que implementam primitivas de movimento e manipulação. Exemplo:
move(junta, incremento, tempo_de_percurso) move(x, y, z, tempo_de_percurso)fecha garra
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Tipos de linguagem de Programação:
• Linguagem de propósito geral já existente + bibliotecas robóticas Exemplo: JARS (Pascal), AR-BASIC, ROBOT-BASIC, (Basic), etc.
• Linguagem de propósito geral desenvolvida como base de programação + bibliotecas robóticas. Exemplo: AML (IBM), RISE (Silma, Inc.).
• Linguagem especial para manipulação. Proprietária, para um tipo ou família específica de manipuladores.
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Exemplo de um programa de robô:
movex to i.centerx, i.centery, 100, 0, i.angle
movex 0, 0, -50, 0, 0
movex 0, 0 , -12, 0, 0
grip
home
movex to 200, 280, 150, 0, 0
open
home
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Programação Off-Line:
• Desenvolvida sem a necessidade de dispor do robô.
• Modelos CAD usados para validar as tarefas programadas
• Vantagens:
Não é necessário parar o robô.
O programador não é exposto ao ambiente do robô..
• Desvantagens:
Erros de modelagem e imprecisões devem ser compensados pelo controlador on-line.
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Modelagem de Robôs Manipuladores:
Descrição de Localização:
• Localização de um corpo rígido = Posição + Orientação
• Transformações Homogêneas
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Modelagem de Robôs Manipuladores: Cinemática:
• Cinemática Direta: posição de juntas localização da garra.
Cinemática direta
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Modelagem de Robôs Manipuladores: Cinemática:
• Cinemática Inversa: localização da garra posição de juntas.
Cinemática Inversa
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Modelagem de Robôs Manipuladores:
Cinemática Diferencial:
Velocidades/acelerações da garra velocidades/acelerações de juntas.
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Modelagem de Robôs Manipuladores: Estática:
• esforços nas juntas esforços na ferramenta (robô parado).
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Modelagem de Robôs Manipuladores: Dinâmica:
• Dinâmica Direta: esforços nas juntas trajetória.
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Modelagem de Robôs Manipuladores: Dinâmica:
• Dinâmica Direta: esforços nas juntas trajetória.
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Modelagem de Robôs Manipuladores: Dinâmica:
• Dinâmica Direta: esforços nas juntas trajetória.
![Page 83: INTRODUÇÃO À ROBÓTICA Pablo Javier Alsina Departamento de Engenharia de Computação e Automação DCA/CT/UFRN pablo@dca.ufrn.br.](https://reader038.fdocumentos.tips/reader038/viewer/2022102814/552fc17d497959413d8f0dda/html5/thumbnails/83.jpg)
Modelagem de Robôs Manipuladores: Dinâmica:
• Dinâmica Direta: esforços nas juntas trajetória.
![Page 84: INTRODUÇÃO À ROBÓTICA Pablo Javier Alsina Departamento de Engenharia de Computação e Automação DCA/CT/UFRN pablo@dca.ufrn.br.](https://reader038.fdocumentos.tips/reader038/viewer/2022102814/552fc17d497959413d8f0dda/html5/thumbnails/84.jpg)
Modelagem de Robôs Manipuladores: Dinâmica:
• Dinâmica Inversa: trajetória esforços nas juntas.
![Page 85: INTRODUÇÃO À ROBÓTICA Pablo Javier Alsina Departamento de Engenharia de Computação e Automação DCA/CT/UFRN pablo@dca.ufrn.br.](https://reader038.fdocumentos.tips/reader038/viewer/2022102814/552fc17d497959413d8f0dda/html5/thumbnails/85.jpg)
Controle de Robôs Manipuladores: Geração de Trajetória:
• Localização inicial + localização final + duração localizações intermediarias (t).
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Controle de Robôs Manipuladores: Geração de Trajetória:
• Localização inicial + localizaçãofinal + duração localizações intermediarias (t).
t
![Page 87: INTRODUÇÃO À ROBÓTICA Pablo Javier Alsina Departamento de Engenharia de Computação e Automação DCA/CT/UFRN pablo@dca.ufrn.br.](https://reader038.fdocumentos.tips/reader038/viewer/2022102814/552fc17d497959413d8f0dda/html5/thumbnails/87.jpg)
Controle de Robôs Manipuladores: Servocontrole:
• Trajetória gerada - Trajetória medida esforços nos atuadores.
Ângulos de junta gerados
Ângulos de junta medidos
ROBÔControladortorques
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Controle de Robôs Manipuladores: Servocontrole:
• Trajetória gerada - Trajetória medida esforços nos atuadores.
Objetivo
(coordenadas cartesianas)
CinemáticaInversa
Geração de Trajetória
Servo Controle
EsforçosTrajetória
desejada
Objetivo
(ângulos de junta)
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Controle de Robôs Manipuladores: Controle de Força:
• Esforço desejado - Esforço medido esforços nos atuadores de junta.
Esforço desejado
Esforço medido
ROBÔControladortorques