Sr aula1 robos_industriais

Aula 1
Introdução
Robôs Manipuladores
Rio Grande, 11 de abril de 2014.
Universidade Federal do Rio Grande FURG
Centro de Ciências Computacionais C3
Engenharia de Automação
Sistemas Robóticos

 Robôs podem ser usados com muitos
propósitos,incluindo aplicaçõesindustriais,
entretenimento e outras aplicações
específicas, como a exploração espacial e
subaquática e em ambientes perigosos.
Introdução

 Uso do robô industrial – década de 1960
 Junto com sistemasCAD (Computer-AidedDesign) e CAM
(Computer-Aided Manufacturing)
 Número de robôs instalados por ano nas grandes regiões
industrias
Robôs Industriais

 Motivos:
 Custo de robôs industriais vem declinando, enquanto
que o da mão de obra têm aumentado
 Os robôs têm se tornado mais eficientes, mais rápidos,
mais precisos, mais flexíveis
 Estão cada vez mais capaz de executarem tarefas
perigosas ou impossíveis para trabalhadores humanos
 Diversas tarefas têm se tornado candidatas à automação
industriais
Robôs Industriais

Robôs industriais
 São 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
 Se um dispositivo puder ser programado para realizar
diversas aplicações, ele é, provavelmente um robô
industrial
Robôs Industriais

 Substituição de mão de obra geram problemas Sociais:
 Trabalhadores ficam desempregados - não podem
consumir
 Uso de robôs para substituir trabalhadores humanos
 Criar melhores produtos a custos mais baixos
 Negociações entre os fabricantes de automóveis e o
Sindicato dos Trabalhadores da Indústria Automotiva:
 Quantos empregos humanos podem ser substituídos
por robôs? E em que ritmo?
Robôs Industriais

 Maioria dos robôs industriais são manipuladores
robóticos
 Primeiro semestre nos concentraremos em robôs
manipuladores
Robôs Industriais

 Estudar Manipuladores robóticos, envolve um conjunto
de áreas
 Mecânica -máquinas em situações estáticase
dinâmicas
 Descrições de movimentos
 Teoria de Controle
 Sensores e interfaces
 Programação
Robôs Industriais

 Os manipuladores consistemem elos (considerados
rígidos) e juntas que permitem o movimento de elos
consecutivos.
 As juntas normalmente são equipadas com sensores de
posição que permitem obter a posição relativa dos elos
adjacentes
Manipuladores

 Os manipuladores robóticos são compostos por
membros conectados por juntas em uma cadeia
cinemática aberta.
 As juntas podem ser:
 rotativas (permitem apenas rotação relativa entre
dois membros)
 prismáticas (permitem apenas translação linear
relativa entre dois membros)
Manipuladores

 Formas de Representar as Juntas
 Rotativa R
 Prismática P
Juntas

Garras e Ferramentas
 Ferramentas

 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.
Acionamento

 No caso de manipuladores robóticos geralmente as
variáveis de configuração das juntas formam uma cadeia
cinemática aberta
 Na ponta livre da cadeia fica o efetuador (garra,
maçarico de solda, ou outro dispositivo)
Cadeia Cinemática

 O estado de objetos (elos, ferramentas, peças
manipuladas) são descritos por uma posição e orientação
 Atrelamos ao objeto, também, um sistema de
coordenadas, ou sistema de referência (frame)
Sistemas de Referência
como representar
matematicamente
estas informações
e como realizar
transformações
entre sistemas de
referência

 Número de Graus de Liberdade de um Manipulador
Robótico – é o número de variáveis de posição
independentes que teriam de ser especificadas para se
localizarem todas as peças do robô – normalmente o
número de juntas é igual ao número de graus de
liberdade
Graus de Liberdade

 Cada junta interconecta dois membros l1 e l2
 eixo de rotação ou de translação de uma junta é
denotado como eixo da junta zi
 Se a junta i interconectar os membros i e i+1, as
variáveis das juntas são denotadas por θi, se a junta for
rotativa, ou por di, se a junta for prismática
 O número de juntas determina a quantidade de
graus de liberdade do manipulador
Graus de Liberdade

 O número de juntas determina a quantidade de
graus de liberdade do manipulador.
 Tipicamente, um manipulador industrial possui 6
graus de liberdade, 3 para posicionar o órgão
terminal (garra, aparelho de soldagem, de pintura, etc.)
e 3 para orientar o órgão terminal
 Para especificar completamenteo objeto no espaço –
precisamos da localização e orientação do objeto - 6
elementos de informação
Graus de Liberdade

 Se um robô tem menos graus de liberdade, não podemos
arbitrariamente especificar qualquer localização e orientação
 Exemplo: considere um robô com 3 graus de liberdade, que
só pode se mover ao longo dos eixos x, y e z
 nenhuma orientação pode ser especificada
 Exemplo: considere outro robô com 5 graus de liberdade,
capaz de rodar em torno de três eixos, mas apenas se
deslocar ao longo dos eixos x e y
 Pode se especificar qualquer orientação, mas o
posicionamento da peça só é possível ao longo dos eixos x e y
Graus de Liberdade

 Comparação com o braço humano:
 Quantos graus de liberdade tem o braço humano?
Graus de Liberdade

 Comparação com o braço humano: o braço humano tem
7 GDL enquanto os robôs em geral possuem de 3 a 6
GLD
 Um sistema com 7 graus de liberdade, não tem uma
única solução para posicionamento e orientação de
uma peça - existem várias maneiras
Graus de Liberdade

 Para que o controlador saiba o que fazer, deve haver
uma rotina adicional de decisão que lhe permita
escolher apenas uma das infinitas soluções. (exemplo,
uma rotina para escolher o caminho mais rápido ou o
mais curto)
 O computador tem de verificar todas as soluções para
encontrar a resposta - o que pode tomar muito
processamento
 Logo, normalmente robôs com 7 graus de liberdade não
são utilizados na na indústria.
Graus de Liberdade

 Um problema semelhante surge quando um robô
manipulador é montado sobre uma base móvel
 O robô tem um grau de liberdade adicional
 Nesse caso, embora aja muitos graus de liberdade, os
graus de liberdade adicionais são conhecidos (posição
da base)
 O sistema pode ser resolvido
Graus de Liberdade

 Pode-se ter, também, manipuladores com menor ou maior
número de graus de liberdade, conforme a função a ser
executada.
 Quanto maior a quantidade de graus de liberdade, mais
complicadas são a cinemática, a dinâmica e o controle do
manipulador.
 O volume espacial varrido pelo órgão terminal do
manipulador é conhecido como volume de trabalho ou
espaço de trabalho.
 O volume de trabalho depende da configuração
geométrica do manipulador e das restrições físicas das
juntas (limites mecânicos).
Graus de Liberdade

 Punho com três graus de liberdade
Graus de Liberdade

 O atuador final do robô nunca é considerado como um
dos graus de liberdade.
 Todos os robôs têm capacidade adicional, que pode
parecer ser semelhante a um grau de liberdade Ex: abrir
e fechar garra
 No entanto, nenhum dos movimentos no atuador final
são contabilizados para os graus de liberdade do robô
Graus de Liberdade

 O volume espacial varrido pelo órgão terminal do
manipulador é conhecido como volume de trabalho ou
espaço de trabalho
 O volume de trabalho depende da configuração
geométrica do manipulador e das restrições físicas das
juntas (limites mecânicos)
Espaço de Trabalho

 O espaço de trabalho pode ser encontrado
matematicamenteescrevendo equações que definem as
ligações e articulações do robô
 Como alternativa, o espaço de trabalho pode ser
encontrado empiricamente por mover virtualmente
cada articulação por meio da sua gama de movimentos,
combinando todo o espaço que pode alcançar, e
subtraindo o que não pode alcançar
Espaço de Trabalho

 Quando um robô é considerado para uma determinada
aplicação, seu espaço de trabalho deve ser estudado
para garantir que o robô seja capaz de alcançar os
pontos desejados
 Para a determinação exata do espaço de trabalho,
consultar as folhas de dados dos fabricantes
Espaço de Trabalho

 Os robôs podem apresentar diferentes configurações
geométricas, isto é, diferentes arranjos entre os membros e
os tipos de juntas utilizadas
 A maioria dos robôs industriais tem 6 ou menos graus de
liberdade
 No caso de um manipulador com seis graus de liberdade:
 Os três primeiros graus (a contar da base) são usados
para posicionar o órgão terminal no espaço 3D
 Os três últimos servem para orientar o órgão terminal
no espaço 3D
Configurações Geométricas

 Com base nos três primeiros graus de liberdade, pode-
se classificaros robôs industriais em cinco configurações
geométricas:
 Articulado (RRR)
 Esférico (RRP)
 SCARA (RRP)
 Cilíndrico (RPP)
 Cartesiano (PPP)
 R significa junta rotativa e P significa junta prismática

Classificação de Robôs

 Robô Articulado (RRR) - também denominado
antropomórfico
1. Robô Articulado (RRR)

 Robô Articulado (RRR) - Liberdade de movimento grande e
Volume de trabalho compacto – mais versátil dos robôs
industriais
1. Robô Articulado (RRR)

 Robô esférico (RRP) - Substitui a junta rotativa do cotovolo
do robô articulado por uma junta prismática
2. Robô Esférico (RRP)

 Robô esférico(RRP) - as coordenadas que definem a
posição do órgão terminal são esféricas (θ1, θ2, d3)

 Coordenadas Esféricas

 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
3. Robô SCARA (RRP)

 Robô SCARA (RRP)
3. Robô SCARA (RRP)

 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)
4. Robô Cilíndrico (RPP)

 Robô Cilíndrico (RPP)
4. Robô Cilíndrico (RPP)

 Robô Cartesiano (PPP) – as três primeiras juntas são
prismáticas. É o manipulador de configuração mais simples,
sendo muito empregado para armazenamento de peças
5. Robô Cartesiano (PPP)

 Robô Cartesiano (PPP)
5. Robô Cartesiano (PPP)

 Punho de um manipulador - conjunto de juntas que são
colocadas entre o antebraço e o órgão terminal, de
modo a prover este último com uma dada orientação.
 Em geral, os punhos robóticos são dotados de 2 ou 3
juntas rotativas.
 A maioria dos robôs são projetados com punho esférico,
isto é, punhos cujos eixos das juntas (todas rotativas)
interceptam-se em um mesmo ponto.
Punho

 Um punho esférico com três graus de liberdade
Punho

 O Punho esférico simplifica bastantea cinemática de
orientação
 Os movimentos de rotação do punho esférico são
denominados, respectivamente:
 Guiagem (Yaw),
 Arfagem (Pitch)
 Rolamento (Roll)
Punho

 É comum encontrar-se manipuladores industriais com 2
ou três graus de liberdade no punho - o robô, no total,
tenha 5 ou 6 graus de liberdade.
 Exemplos de Robôs
 Um robô denotado como RRR-RRR é um robô articulado
com um punho esférico com 3 juntas rotativas RPY (de
Roll, Pitch e Yaw), com um total de 6 graus de
liberdade.
 Um robô RPP-RR é um robô cilíndrico com um punho
com 2 juntas rotativas RP (de Roll e Pitch), com um total
de 5 graus de liberdade.
Punho

 A garra é o órgão terminal mais comum, possui um
movimento de abre e fecha
 Tal grau de liberdade não é computado quando se
especifica a quantidade total de graus de liberdade do
robô.
Órgão Terminal

 Precisão de um manipulador - é uma medida de quão
próximo o órgão terminal pode atingir um determinado
ponto programado, dentro do volume de trabalho.
 Repetibilidade - diz respeito à capacidade do
manipulador retornar várias vezes ao ponto
programado, ou seja, é uma medida da distribuição
desses vários posicionamentos em torno do dito ponto.
Precisão e Repetibilidade

 A precisão e a repetibilidade são afetadas por erros de:
 computação,
 imprecisões mecânicas de fabricação,
 efeitos de flexibilidade das peças sob cargas
gravitacionais e de inércia (sobretudo em altas
velocidades),
 folgas de engrenagens, etc. Por este motivo, têm
sido os manipuladores
 Tem sido dada grande ênfase, para o projeto do
controlador
Precisão e Repetibilidade

 Carga útil: é o peso que um robô pode carregar e ainda
permanecer dentro de suas especificações.
 a capacidade de carga máxima de um robô pode ser muito maior
que a sua carga útil
 Alcance: é a distância máxima que um robô pode alcançar
dentro do seu envelope de trabalho.
 muitos pontos dentro do envelope de trabalho do robô podem
ser alcançados com qualquer orientação desejada (destro).
 No entanto, para outros pontos próximos ao limite da capacidade
de alcance do robô, a orientação não pode ser especificada, como
desejado (ponto não destro).
 O alcance é uma função das articulações e comprimentos do robô
e de sua configuração.
Carga Útil e Alcance

Problemas Tratados na Robótica

 Problema Tratado na Robótica:
 O que deve ser feito para programar um robô com o
objetivo de executar uma determinada tarefa?
 Exemplo: Considere o robô de 6GDL, portando um
rebolo para uma operação de retífica plana

 1) rotação do tronco
 2) rotação do ombro
 3) rotação do cotovelo
 4) rotação do punho (“pitch” = arfagem)
 5) rotação do punho (“yaw” = guiagem)
 6) rotação do punho (“roll” = rolamento)
6 GDL:

 Exemplo: Considere o robô de 2GDL, portando um rebolo
para uma operação de retífica plana
 Suponha-se que se queira mover o manipulador de sua
posição de espera A para a posição B, a partir da qual o robô
deverá seguir o contorno S até a posição C, com velocidade
constante e mantendo uma força F, normal à superfície.

 Os seguintes problemas deveriam ser resolvidos:
 Cinemática Direta
 Cinemática Inversa
 Cinemáticada Velocidade
 Dinâmica
 Controle de Posição
 Controle da Força de Retífica

Cinemática Direta

 Primeiramente, deve-se descrever as posições da
ferramenta (rebolo), dos pontos A e B e da superfície S,
em relação a um mesmo sistema de coordenadas
inercial
 O robô deve estar apto a “sentir” sua posição em cada
instante, por meio de sensores (codificadores óticos,
potenciômetros, etc.) localizados nas juntas os quais
podem medir os ângulos
Cinemática Direta

 Exemplo
Cinemática Direta
 É necessário expressar as
posições da ferramenta em
termos desses ângulos, isto é,
expressar x e y em função de
θ1 e θ2
 Problema da Cinemática
Direta - dadas as
coordenadas das juntas θ1 e
θ2, determinar x e y (as
coordenadas do órgão
terminal).

Cinemática Inversa

 Cinemática direta - determina as coordenadas x e y do
TCP, assim como sua orientação, uma vez conhecidas as
coordenadas das juntas θ1 e θ2
 Entretanto,para comandar o robô, é necessário o
inverso: dadas x e y, que ângulos θ1 e θ2 devem ser
adotados pelas juntas, de modo a posicionar o TCP na
posição (x, y)? Esse é o chamado problema da
cinemática inversa.
 Tendo em vista que as eq. de cinemática direta são não-
lineares, a solução pode não ser simples.
Cinemática Inversa

 Pode não haver solução (posição (x,y) fora do volume de
trabalho), como pode também não haver uma solução
única para o problema
 Exemplo, existem as chamadas configurações cotovelo
acima e cotovelo abaixo:
Cinemática Inversa

Cinemática da Velocidade

 Para seguir o contorno S com uma velocidade
especificada, é preciso conhecer a relação entre a
velocidade do TCP e as velocidades das juntas.
 Isso pode ser obtido derivando as eqs da cinemática
direta:
Cinemática da Velocidade
Para determinar as velocidades das juntas a
partir das velocidades do TCP, usa-se a
operação inversa,obtendo-se a cinemática
inversade velocidade

Dinâmica

 Para controlar a posição do manipulador é preciso
conhecer as suas propriedades dinâmicas de modo a
saber a quantidade de força (ou torque) que deve ser
aplicada às juntas para que ele se mova.
 Pouca força fará com que o manipulador reaja
vagarosamente
 Força demais pode fazer com que o manipulador
esbarre em objetos ou vibre em torno da posição
desejada
Dinâmica

 A dedução das equações dinâmicas de movimento
não é uma tarefa fácil, devido à grande quantidade
de graus de liberdade e também às não-linearidades
presentes.
 São usadas técnicas baseadas na Dinâmica
Lagrangiana ou na Dinâmica Newtoniana, para a
dedução sistemáticade tais equações
 Além da dinâmica das peças (membros) que compõem o
manipulador, a descrição completa deve envolver a
dinâmica dos atuadores e da transmissão
Dinâmica

Controle da Posição

 O problema do controle da posição consiste em
determinar as excitações necessárias a serem dadas aos
atuadores das juntas para que o Órgão Terminal siga
uma determinada trajetória e simultaneamente,
rejeitar distúrbios originários de efeitos dinâmicos não
modelados, tais como atrito e ruídos.

 O enfoque padrão utiliza estratégias de controle
baseadas no domínio da freqüência
 Outras estratégias, como o controle não-linear, são
também utilizadas no controle de posição do
manipulador.

Controle da Força de Retífica

 Uma vez alcançada a posição B, o manipulador deve
seguir o contorno S, mantendo uma certa força normal
constantecontra a superfície
 O valor dessa força não pode ser muito pequeno, de
modo a tornar a operação de retífica ineficiente, nem
muito grande, pois poderia danificar tanto a obra como
a ferramenta
 Então, deve-se exercer um controle preciso sobre a força
Cinemática da Força Retífica

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