Atuadores em Robótica
Profa. Michelle Mendes Santos
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Atuadores
Indicadores
Em robótica muitas vezes é necessário
sinalizar um acontecimento ou situação
importante.
Essa sinalização é feita, geralmente por meio
de lâmpadas, leds ou sinalização sonora.
Atuadores
Lâmpadas e LEDs:
Quando energizados, esses elemento produzem sinal
luminoso.
Apesar de não efetuarem trabalho em forma de
movimento, são considerados atuadores por serem
dispositivos de saída, ou seja, que recebem comandos do
processador.
Esses elementos são utilizados normalmente para indicar
ao usuário o comportamento do sistema em resposta a
determinado comando. Ex.: acender um led verde quando
o robô está ligado; acender um led amarelo sempre que a
bateria do robô estiver fraca, etc.
Atuadores
Sinalizadores Sonoros:
Quando energizados, esses dispositivos soam um
alarme, indicando uma situação de alerta.
Ex: soar um alarme sempre que o robô se
distanciar mais de 2 metros do controle remoto,
etc.
Atuadores
Atuadores Hidráulicos:
Os atuadores hidráulicos têm como objetivo gerar
um movimento baseado na introdução de um
líquido a alta pressão em um recipiente
perfeitamente selado, onde se localiza uma haste
ou o eixo.
Os atuadores hidráulicos podem gerar:
deslocamento linear (haste), ou
rotativo (eixo).
Atuadores Hidráulicos
2.1. Pistão Hidráulico
Os pistões hidráulicos têm um diafragma rígido com uma
haste solidária dentro de um cilindro. Por um orifício é
introduzido um fluido a alta pressão proveniente de uma
bomba hidráulica. Este fluido, então, empurra ou puxa a
haste com uma determinada força.
Os pistões podem ser de dois tipos: de efeito simples ou
de efeito duplo.
Atuadores Hidráulicos
2.2. Motor Hidráulico
Os motores hidráulicos são dispositivos que
geram um movimento de rotação em um eixo.
Esse movimento é provocado pela circulação de
um fluido pressurizado.
Este tipo de motor tem a grande vantagem de ter
um torque muito maior que os apresentados pelos
motores elétricos de tamanhos similares.
Atuadores Pneumáticos
Os atuadores pneumáticos são muito
semelhantes aos hidráulicos, com a diferença
de que o fluido utilizado não é líquido, mas ar
comprimido.
Existem tanto pistões quanto motores para
gerar movimento linear ou rotativo.
Atuadores Pneumáticos
Desvantagem: O controle de posição utilizando
esses dispositivos de atuação se torna mais
difícil devido à alta compressibilidade do ar, de
forma que um aumento de carga, por exemplo,
pode gerar movimento da haste mesmo sem
alteração na quantidade de ar no pistão.
Vantagem: possuem menor custo tanto em seus
componentes quanto no fluido utilizado para
gerar o movimento, que está disponível na
atmosfera.
Motores Elétricos
Os motores são dispositivos que
transformam energia elétrica em energia
mecânica.
Essa energia mecânica é desenvolvida
através da rotação de um eixo que gira com
uma determinada velocidade e torque.
A rotação desse eixo fornece movimento à
planta ou a algumas das suas partes.
Motores Elétricos
As rodas e os eixos dos robôs são
geralmente impulsionadas por motores
Tipos de motores:
Passo, corrente contínua, universal, síncrono,
indução.
Motores de corrente contínua são os mais
utilizados em robôs móveis de pequeno
porte.
Motores Elétricos
Exemplo:
Um braço que tem três juntas de revolução,
cada uma provocando uma rotação entre
dois elos adjacentes, precisará de três
motores para efetuar o movimento de cada
junta em forma independente.
Motores Elétricos
Os motores elétricos mais utilizados em
robótica são:
Motor de corrente contínua;
Motor de passo;
Servomotor.
Motores Elétricos
Grandezas Físicas Envolvidas
Potência, torque e velocidade são as três
grandezas físicas básicas que devem ser
consideradas na hora de escolher um motor
segundo as condições do movimento a ser
efetuado.
Essas três grandezas são interdependentes, quer
dizer, não é possível modificar uma sem afetar as
outras duas.
Motores Elétricos
Potência:
A potência (P), é a energia mecânica entregue
pelo motor por unidade de tempo, expressa em
[Joules/segundo], ou equivalentemente, em Watts
[W].
Existe uma outra unidade de potência mecânica
utilizada em motores, que são os cavalos de
potência [HP]. Um HP é igual a 746 W.
P = (VI) ponderado pelo fator de potência do
motor.
Motores Elétricos
Torque:
É a força de rotação do motor (τ).
Corresponde à força exercida vezes a distância
perpendicular do eixo de rotação à linha de ação
dessa força.
A unidade para o torque é [N.m].
Motores Elétricos
Exemplo:
Se o eixo do motor está acoplado
a uma polia de 10 cm de raio, e
através de uma corda pretende
levantar um volume de 2 kg de
massa, qual deverá ser o torque
exercido pelo motor para levantar
esse peso?
F=mg
τ =F·d
Motores Elétricos
Velocidade Angular:
A velocidade angular (ω) é equivalente ao ângulo
que gira o eixo por unidade de tempo, e é
expressa em [º/s], [rad/s] ou [rpm].
Motores Elétricos
Existe uma relação entre essas três
grandezas físicas estudadas: potência,
torque e velocidade angular.
Quando estas são expressas segundo as
unidades do sistema internacional (isto é, W,
N.m, e rad/seg., respectivamente), a potência
é uma constante igual ao torque vezes a
velocidade.
P = τ.ω
Motores Elétricos
Exemplo:
Se a potência elétrica entregue ao motor é de 5W, e o
fator de potência, ou relação entre a potência
mecânica desenvolvida no eixo e a potência elétrica
entregue, é de 0,8, então, a potência mecânica
desenvolvida é de 4W.
Como o torque exercido no exemplo é de 2 Nm, então
a velocidade angular será de ω =P/τ
=4W/2Nm=2rad/seg.
Se o torque aumentar dez vezes (20Nm), a
velocidade passa a ser ω = P/τ
=4W/20Nm=0,2rad/seg.
Motor de corrente contínua
Motor de corrente contínua
Motor de corrente contínua
Motor de corrente contínua
Motores de Passo
Os motores de passo são um tipo particular
de motor muito utilizado, principalmente em
periféricos de computador;
Estes propiciam a saída em forma de
incrementos angulares discretos, controlados
por impulsos elétricos do sinal de
alimentação; cada pulso se corresponde com
um ângulo fixo de rotação.
Motores de Passo
Sentido Horário
Motores de Passo
Sentido Anti-horário
Motores de Passo
Motores de Passo
A principal vantagem desses motores é que
eles podem ser utilizados em malha aberta,
pois o controlador pode conhecer
exatamente a posição do eixo com respeito a
uma referência, sendo apenas necessário
fornecer a quantidade de pulsos requerida
para o eixo girar uma quantidade
determinada de passos.
Motores de Passo
Em robótica, os motores de passo são utilizados
para aplicações de serviços relativamente leves,
pois não têm grande torque em comparação com o
volume deles.
Quando o torque exigido vai além do que o motor
pode suportar, o mais comum é que o eixo não gire,
“perca passos”, fato que em malha aberta provoca a
perda do conhecimento da posição do eixo por
parte do controlador.
Uma vantagem destes motores com respeito aos de
corrente contínua, é que quando estão fixos numa
determinada posição têm um torque de retenção
elevado, o que não acontece durante o movimento.
Motores de Passo
A velocidade de rotação do eixo é função exclusivamente do
tempo entre passos determinado pelo controlador;
Em função dessa velocidade será o torque máximo que o eixo
pode suportar a fim de não perder passos.
O torque máximo é obtido quando o motor está parado.
Servo-motores
Os servos-motores não constituem em si
mesmos um tipo diferente de motor, mas
serão tratados de forma particular por
constituírem uma das configurações mais
utilizadas em robótica.
Trata-se de um motor, em geral de corrente
contínua com um sensor de posição ou de
velocidade que permite ao controlador
conhecer essas grandezas físicas e assim
controlá-las.
Servo-motores
Servo-motores
Em muitos casos, os servos-motores de posição
comerciais exigem como entrada de referência um sinal
pulsado, onde a largura do pulso é proporcional à
posição desejada.
Este tipo de sinal é conhecido como sinal modulado por
largura do pulso (PWM).
O controlador dedicado, que é constituído por um
circuito integrado, tem um filtro passa-baixas para
determinar o valor médio desse sinal, que será
proporcional à largura do pulso, e portanto esse valor
médio terá uma amplitude proporcional à posição
desejada.
A partir daí, é comparada com a amplitude do sinal do
potenciômetro para determinar o erro.