UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto Conceitual de um Robô SCARA
Disciplina de Projetos I (CCA 99002)
Prof.Dr. Rafael Antônio Comparsi Laranja
Guilherme de Mello Kich (193411)
Ramon Schmitt (181600)
Porto Alegre, Julho de 2012
RESUMO
Este trabalho se trata da elaboração de um projeto conceitual sobre um braço
robótico do tipo SCARA. Essa parte do projeto é a segunda após o projeto
informacional e visou à obtenção de um conceito sobre o dispositivo, ou seja, se
desejou encontrar uma idéia clara sobre a estrutura geral e com certo grau de
detalhamento do robô. Para chegar a essa situação se utilizou de revisão bibliográfica
a respeito do assunto. Com ela, foi possível entender o que existe de forma a atender
as especificações do projeto informacional. Juntamente, foi utilizada a metodologia do
projeto conceitual para elaborar o conceito em si, com o auxílio do mapa conceitual e
da elaboração da estrutura funcional do dispositivo.
Palavras-chave: Projeto conceitual, robô SCARA, projeto acadêmico, braço robótico,
robótica, metodologia projeto
2
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.01: Elos e juntas............................................................................................. 7
Figura 2.02: Juntas deslizantes. ................................................................................... 8
Figura 2.03: Juntas de rotação. .................................................................................... 8
Figura 2.04: Robô com articulação horizontal. ............................................................. 9
Figura 2.05: Estrutura padrão da configuração SCARA. ............................................ 10
Figura 2.06: (a) Estrutura do robô SCARA mais compacto da KUKA. (b) Estrutura
típica de SCARA da EPSON e ADEPT ....................................................................... 11
Figura 2.07: Robô SCARA da TOSHIBA MACHINE para manuseio de peças pesadas
................................................................................................................................... 12
Figura 2.08: (a) Garra de dedos paralelos com engrenagem e cremalheira. (b) Garra
acionada por came. (c) Garra acionada por parafuso. (d) Garra acionado por sem fim.
(e) Garra de dedos paralelos movimentada por motor. ............................................... 16
Figura 2.09: (a) Garra movimentada por pistão pneumático de efeito simples. (b)
Garra de dedos paralelos movimentados por um pistão de duplo efeito. .................... 17
Figura 2.10: Robô SCARA da KUKA Robotics equipado com garra pneumática. ...... 10
Figura 2.11: Robô SCARA da Stäubli equipado com ventosa. ................................... 18
Figura 2.12: Garra magnética com imãs permanentes e pistões separadores. .......... 19
Figura 2.13: Estrutura do controlador. ........................................................................ 26
Figura 2.14: Controlador TS3100 dos robôs SCARA da TOSHIBA MACHINE........... 27
Figura 2.15: Painel de controle do robô SCARA IBM 7535. ....................................... 27
Figura 3.01: Mapa conceitual do braço robótico SCARA............................................ 31
Figura 3.02: Diagrama da estrutura funcional do braço robótico SCARA. .................. 32
Figura 3.03: Protótipo braço articulado com efetuador do robô SCARA. .................... 33
Figura 3.04: Protótipo do robô SCARA....................................................................... 34
3
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 5
1.1 Objetivos ............................................................................................................. 6
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................... 7
2.1 Estrutura.............................................................................................................. 7
2.2 Sistemas de Transmissão Mecânica ................................................................. 12
2.3 Efetuadores ....................................................................................................... 13
2.3.1 Garras .................................................................................................... 13
2.3.2 Ferramentas ........................................................................................... 20
2.4 Acionamentos e Medição .................................................................................. 21
2.3.1 Sistema hidráulico .................................................................................. 21
2.3.2 Sistema pneumático ............................................................................... 21
2.3.3 Motores elétricos de corrente contínua ................................................... 22
2.3.4 Motor de passo ....................................................................................... 22
2.3.5 Servomotores ......................................................................................... 23
2.3.5 Atuadores linear...................................................................................... 23
2.5 Controle e Interface ........................................................................................... 25
3. METODOLOGIA..................................................................................................... 29
3.1 Análise .............................................................................................................. 29
3.1.1 Escopo do projeto ................................................................................... 29
3.1.2 Estrutura funcional .................................................................................. 31
3.2 Síntese .............................................................................................................. 32
4. CONCLUSÃO ......................................................................................................... 35
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 36
4
1. INTRODUÇÃO
A automação possibilita grandes incrementos na produtividade do trabalho,
além de aumentar a produção. Os equipamentos automatizados permitem uma
melhora na qualidade do produto, uniformizando a produção, eliminando perdas e
refugos. O uso de robôs contribui para a automação em processos de média e
pequena escala, sendo que nesta última, basta alterar o programa e a ferramenta do
robô para produzir um novo modelo e, desta forma, se consegue grandes incrementos
na produtividade e, consequentemente, na produção. [Moura, 2004]
Neste contexto, as disciplinas de Projetos do Curso de Engenharia de Controle
e Automação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) têm como
objetivo integrar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso e suas aplicações,
fornecendo alguns conceitos de desenvolvimento de projetos de máquinas em controle
e automação. Para tanto, é proposto ao aluno realizar o processo de desenvolvimento
de um produto com suas macrofases (planejamento, processo de projeto do produto e
implementação) e suas, respectivas, fases. Neste momento, será desenvolvido o
projeto conceitual do produto, que representa uma fase associada ao processo de
projeto do produto.
Tendo em vista que o Engenheiro de Controle e Automação é um profissional
que deve ter uma formação multidisciplinar nas áreas de eletro-eletrônica, mecânica e
informática, será realizado o processo de desenvolvimento de um robô industrial do
tipo SCARA. A robótica abrange tecnologia da áreas citadas anteriormente bem como,
em menor grau, teoria de controle, microeletrônica, inteligência artificial e teoria de
produção.
O estudo sobre robôs tem sua origem na ficção científica. O termo “robótica”
refere-se ao estudo e ao uso de robôs e foi popularizado pelo escritor Isaac Asimov. A
palavra “robô” está ligada ao dramaturgo checo Karel Capek, sendo obtida da palavra
checa “robota” que significa trabalho forçado ou servo, termo introduzido na década de
20 em uma peça de teatro. De acordo com a ISO 8373, de 1994, que trata sobre
manipuladores industriais, robô é um "Manipulador controlado automaticamente,
reprogramável, multifunção e programável em 3 ou mais eixos, podendo ser fixo ou
móvel, para uso em aplicações industriais automatizadas”. Deve ser um equipamento,
cujos movimentos ou funções auxiliares podem ser modificadas sem alterações físicas
e capaz de ser adaptado a diferentes aplicações. [Moura, 2004]
5
O conceito de braço Robótico SCARA foi desenvolvido em 1979 pelo professor
Hiroshi Makino da Universidade de Yamanashi do Japão. O seu intuito era obter robôs
com baixos graus de liberdade, mas que fossem muito eficientes na manipulações de
produtos em indústrias. Entre as apoiadoras do projeto, estava a empresa Sankio
Seiki, a qual veio a se tornar a primeira fabricante do Robô SCARA em 1981,
juntamente com a NEC e Pentel. [Carrara, 2011]
O nome SCARA é uma sigla em inglês que significa: Selective Compliant
Assembly Robot Arm, em português: braço robótico seletivo compatível com linhas de
montagem. Dessa forma, o nome já demonstra o objetivo do projeto desde o início, ou
seja, criar um dispositivo compatível com linhas de manufaturas com espaços
reduzidos.
1.1. Objetivos
O projeto conceitual apresentado aqui tem como objetivo especificar as
características construtivas e técnicas de um robô SCARA em acordo com as
especificações do produto provenientes do projeto informacional. Esse trabalho,
portanto, visa a encontrar soluções e alternativas físicas de construção que satisfaçam
os requisitos através de pesquisa e análise de outras soluções existentes bem como a
proposição de novas ideias. Dessa forma, a meta é possuir, com a conclusão do
projeto conceitual, conceitos reais e de possível realização quando da construção do
produto.
6
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica foi realizada a partir da análise de modelos industriais do
robô SCARA, destacando os aspectos importantes de sua estrutura, de seus
efetuadores, dos sistema de transmissão mecânicos, dos acionamentos envolvido, do
material, do controle e interface com usuário associados ao mesmo.
2.1. Estrutura
Todo braço de robô é composto por uma série de elos e juntas, onde a junta
conecta dois elos permitindo o movimento relativo entre eles. Comparando com a
anatomia da perna humana, elo pode ser comparado à canela ou coxa, e junta ao
joelho, desta forma entre dois elos há uma junta de movimentação (Figura 2.01).
Figura 2.01: Elos e juntas (adaptado de Moura, 2004).
A grande maioria dos robôs SCARA é acionada por meio de servomotores
elétricos. O acionamento elétrico, ao contrário do pneumático ou hidráulico, é mais
facilmente controlável e oferece maior precisão de posicionamento (esta discussão
será mais detalhada posteriormente). Os robôs podem apresentar vários movimentos,
sendo que cada um é realizado por meio de um servomotor elétrico.
O número de articulações em um braço do robô é também referenciado como
grau de liberdade, sendo que a maioria dos robôs SCARA no mercado tem entre 3 a 5
graus de liberdade. Quando o movimento relativo ocorre em um único eixo, a
articulação tem um grau de liberdade, quando o movimento é por mais de um eixo, a
articulação tem dois graus de liberdade.
7
A mobilidade dos robôs depende do número de elos e articulações que o
mesmo possui. Os braços de robôs podem ser formados por juntas deslizantes, juntas
de rotação ou juntas de bola e encaixe, sendo que as mais usadas são a junta de
rotação e a deslizante.
As juntas deslizantes permitem o movimento linear entre dois elos, que é
composto de dois elos alinhados um dentro do outro, onde um elo interno escorrega
pelo externo, dando origem ao movimento linear (Figura 2.02). [Moura, 2004]
Figura 2.02: Juntas deslizantes (adaptado de Moura, 2004).
As juntas de rotação permitem movimentos de rotação entre dois elos, sendo
que estes são unidos, permitindo o movimento de rotação entre eles, como acontece
nas dobradiças das portas e janelas (Figura 2.03). [Moura, 2004]
Figura 2.03: Juntas de rotação (adaptado de Moura, 2004).
O conjunto de pontos que podem ser alcançados pelo órgão terminal do braço
manipulador forma o espaço ou o volume de trabalho do robô. Os robôs são
8
classificados de acordo com o volume de trabalho, existindo os robôs cartesianos,
cilíndricos, esféricos ou polares, e os articulados ou angulares. Essas configurações
são chamadas de clássicas ou básicas, e podem ser combinadas de modo a formar
novas configurações. A classificação do robô, de acordo com o tipo de juntas, consiste
em letras, uma para cada eixo, na ordem em que ocorrem, começando da junta mais
próxima à base, sendo R para junta de revolução e P para junta deslizante (vem do
inglês prismatic).
Os robôs com articulação horizontal (Figura 2.04), na qual o robô SCARA é
classificado, caracterizam-se por possuir duas juntas de revolução e uma deslizante,
sendo codificados RRP. Os robôs SCARA são apropriados para operações de
montagem, devido ao movimento linear vertical do terceiro eixo. [Moura, 2004]
Figura 2.04: Robô com articulação horizontal (adaptado de Moura, 2004).
A Figura 2.05 ilustra a estrutura padrão de um robô de configuração SCARA,
que possui quatro graus de liberdade, sendo três deles para posicionar o punho (eixos
ܺ, ܻ e ܼ) e um para orientar a garra (ou ferramenta). A Figura 2.05 também mostra o
sistema de coordenadas global, representado pelos eixos ܺ଴ , ܻ଴ e ܼ଴ .
9
Figura 2.05: Estrutura padrão da configuração SCARA (adaptado de Gorgulho, 2003).
O elo (link) representado na cor laranja é a base do robô e é fixada ao local de
trabalho. O elo roxo é ligado à base por uma junta rotacional centrada no eixo ܼ଴ . O
elo vermelho é ligado ao elo roxo por uma outra junta rotacional. Estas duas primeiras
juntas permitem o posicionamento do punho no plano ܻܺ. O último elo possui em sua
parte inferior o punho, e está representado em amarelo. A junta entre os elos vermelho
e amarelo é, na realidade, dupla. O elo amarelo desliza verticalmente em relação ao
elo vermelho, permitindo o posicionamento do punho no eixo ܼ, e também gira em seu
próprio eixo possibilitando a orientação do dispositivo que será fixado ao punho (esse
movimento é denominado de roll). A configuração descrita é a mais usual, mas há
variantes. Há modelos onde o movimento vertical (eixo ܼ) é realizado pelo primeiro elo
e não pelo último. [Gorgulho, 2003]
As características dos robôs SCARA industriais foram avaliadas a partir de
modelos de robôs de grandes fabricantes, conforme lista a seguir:
•
EPSON ROBOTS <www.robots.epson.com >
•
KUKA ROBOTICS <www.kuka-robotics.com>
•
ADEPT <www.adept.com >
•
TOSHIBA MACHINE <http://www.toshiba-machine.co.jp>
•
SÄUBLI <http://www.staubli.com>
Praticamente todos os braços robóticos SCARA de grandes fabricantes
analisados possuem dois braços articulados, destoam algumas poucas exceções
como versões da MITSUBISHI. Essa constatação é verdadeira para protótipos sem
10
fins de venda. O uso de dois braços resulta da necessidade de o robô ocupar pouco
espaço e possuir baixo momento de inércia com o intuito de otimizar a eficiência, sem,
contudo, reduzir sua área de atuação. Em versões acadêmicas, ainda há a vantagem
da redução de complicações com o controle do dispositivo.
A dimensão de cada braço pode varia bastante entre cada fabricante. O
primeiro braço, que sai da base, pode ir de 120 mm, para o E2C251 da EPSON, até
500 mm para o E2L85, também da EPSON. Em relação ao segundo braço a variação
de comprimento também é expressiva, indo de 125 mm para o E2C251 até 375 mm
para o Cobra s800 da ADEPT.
Robôs SCARA industriais de grandes fabricantes como a EPSON, KUKA e
ADEPT possuem uma estrutura metálica com superfície externa de plástico rígido. A
base do robô é um cilindro rígido e engastado ao solo. Porém, é possível encontrar
modelos da EPSON que podem ser fixos tanto no teto como na parede o que facilita
linhas de montagem com muitos dispositivos. Tanto a EPSON como a ADEPT fabricam
modelos com cabos de controle que passam por cima dos braços do robô para se
comunicar com o efetuador. Já a KUKA faz o cabeamento por dentro das juntas de
rotação o que economiza espaço e reduz chance de enroscamento com outros
componentes em linhas de montagem, por exemplo.
(a)
(b)
Figura 2.06: (a) Estrutura do robô SCARA mais compacto da KUKA (disponível em
<www.kuka-robotics.com>). (b) Estrutura típica de SCARA da EPSON e ADEPT
(disponível em <www.robots.epson.com>).
11
A estrutura dos robôs SCARA usualmente pesa de 900N até 6000N, conforme
sua capacidade de carga. Para aplicações específicas, encontra-se robôs SCARA que
possuem massa de 500kg, conforme Figura 2.07:
Figura 2.07: Robô SCARA da TOSHIBA MACHINE para manuseio de peças pesadas
(disponível em <http://www.toshiba-machine.co.jp>).
2.2. Sistemas de transmissão mecânica
Há dois tipos de transmissão de forças e momentos nos atuadores para os elos
ou as juntas, são elas:
•
Transmissão por acionamento direto: a transmissão é feita diretamente do
atuador para as juntas e/ou elos sem a presença de mecanismos. Neste tipo
de transmissão o atuador fornece alto valor de força e velocidade igual à de
trabalho.
•
Transmissão por acionamento indireto: a transmissão é feita através de
mecanismos redutores de movimento. É muito usado em motores elétricos pois
a característica dos mesmo é possuir rotação elevada e torque baixo.
Nos robôs SCARA industriais usualmente são utilizados sistemas de
transmissão por acionamento direto. Contudo, os dois tipos de transmissão citados
podem ser aplicados, conforme a capacidade de carga do robô: nos modelos
pesquisados os robôs SCARA são capazes de manipular de cargas de 2kg até 20kg.
Há robôs para aplicações especiais que podem operar com objetos de até 100 kg
(robô da TOSHIBA MACHINE da Figura 2.07) .
12
2.3. Efetuadores
O efetuador é o encarregado, do manuseio concreto da peça a manipular,
estando o restante da estrutura do robô manipulador destinado a posicioná-lo e
orientá-lo da maneira adequada.
Nos robôs, o efetuador é fixado no extremo do último elo, na parte do
manipulador conhecida com o nome de punho. O punho possui, em geral, três juntas
de rotação, conhecidas pelos nomes de yaw, pitch e roll, respectivamente, que
permitem orientar o efetuador numa direção qualquer. O robô SCARA utiliza a junta de
rotação roll em seu punho. Em quase todos os robôs manipuladores SCARA
comerciais, o punho está projetado para a fácil remoção e troca do dispositivo
efetuador de maneira tal que para efetuar tarefas similares, que possam ser realizadas
pelo mesmo manipulador, possa ser colocado o efetuador apropriado segundo as
características da peça a ser manuseada. [Prazos, 2002]
Geralmente, os efetuadores dos robôs SCARA são projetados para uma
aplicação específica, embora também existam órgãos terminais universais, úteis para
uma diversidade de tarefas. Independentemente da forma de acionamento e dos
sensores presentes nos diferentes tipos de efetuadores, é possível estabelecer uma
classificação segundo as diversas funções para as quais os efetuadores são
projetados. Assim, os vários tipos podem ser classificados em duas categorias
principais: garras e ferramentas. A seguir serão abordados ambos os tipos de
efetuadores. [Prazos, 2002]
2.3.1. Garras
As garras são efetuadores destinados a pegar e segurar objetos para seu
deslocamento dentro do espaço de trabalho do manipulador. Esses objetos podem ser
pequenos e frágeis, como é o caso de componentes eletrônicos que são montados
numa placa de circuito impresso pelo robô, ou ainda pesados e robustos como os
carros que são deslocados de uma parte a outra da linha de produção de uma
montadora. Em outros casos, os manipuladores podem visar ao deslocamento de
objetos tais como caixas de papelão, garrafas, matérias primas e inclusive
ferramentas. [Prazos, 2002] Cabe destacar que o fato da garra deslocar uma
ferramenta com a qual trabalhará sobre uma peça determinada, não converte o
efetuador em uma ferramenta em si, mas continua sendo uma garra que segura uma
ferramenta; a vantagem de utilizar garras em vez de usar ferramentas como
efetuadores (caso que será tratado na seção seguinte) se evidencia quando o serviço
13
exige que várias ferramentas sejam manipuladas pelo robô durante o ciclo de trabalho.
Obviamente, esta solução é melhor do que empregar vários robôs com várias
ferramentas diferentes como efetuadores. Há diversos princípios físicos nos quais se
baseiam as garras para a operação de pegada do objeto. O mais conhecido, mas não
o único, é o mecânico, onde alguns “dedos” se fecham para segurar o objeto a ser
deslocado. Mas existem outros princípios que são utilizados. Em seguida será
apresentada uma classificação dos diferentes tipos de garras segundo o princípio de
trabalho utilizado, e independentemente do sistema de acionamento do efetuador.
[Prazos, 2002]
2.3.1.1.
Dedos acionados mecanicamente
As garras mais comuns possuem em geral dois ou três dedos, os quais se
abrem e fecham mecanicamente. Os dedos são os apêndices da garra que fazem, de
fato, contato com o objeto a manipular. Em alguns casos as garras são projetadas
para ter dedos substituíveis de maneira tal a facilitar sua troca, adequando-os ao
formato e tamanho da peça a ser segurada [Prazos, 2002].
Existem basicamente duas maneiras de segurar a peça na garra. A primeira é
por constrição física da peça entre os dedos. Nessa abordagem os dedos envolvem a
peça de forma tal a abarcar a maior superfície possível, impedindo assim o seu
movimento ou queda. Para isso, deve-se projetar a superfície de contato dos dedos
em forma aproximada segundo a geometria da peça. A outra maneira de segurar a
peça é por atrito entre os dedos e a mesma. Nesta abordagem, bem mais comum do
que a primeira, os dedos aplicam uma força suficiente para reter a peça contra a
gravidade, aceleração, ou qualquer outra força que ela possa sofrer durante a
aplicação. A pressão no contato deve ser suficiente para provocar um atrito que anule
a gravidade e as outras forças atuantes, mas não demasiada de modo a provocar
danos na peça. Para isso, os dedos ou as almofadas presas nos seus extremos são
fabricados, em geral, de um material relativamente macio para não quebrar nem
arranhar a peça, o qual tende a aumentar o atrito entre ela e a superfície de contato do
dedo [Prazos, 2002].
Dependendo do projeto da garra, existem diversas formas de movimentar os
dedos. Assim, podem-se classificar as garras com dedos segundo o movimento
realizado na abertura e fechamento. Há dedos que se deslocam linearmente,
aproximando-se e afastando-se em forma paralela, e também dedos que se abrem e
fecham girando ao redor de um pivô, que pode ser comum para todos os dedos ou
não [Prazos, 2002]. Além disso, como será mencionado na próxima seção, o
14
acionamento da garra para ela abrir e fechar os dedos pode ser fornecido por diversos
tipos de atuadores. Dependendo do atuador utilizado, podem se classificar as garras
com dedos como mecânicas, hidráulicas ou pneumáticas.
As garras mecânicas são aquelas movimentadas por um motor elétrico. Em
geral, são utilizados pequenos motores D.C. ou motores de passo com algum tipo de
sistema de transmissão que transforme o movimento de rotação do eixo no movimento
dos dedos. Os sistemas de transmissão que unem o eixo do motor com os dedos
podem ser constituídos por correias e polias, correntes e engrenagens, parafusos de
acionamento e cames. Com algum sensor de posição, que pode ser um encoder ótico
incremental, pode-se medir o ângulo do eixo do motor, sendo assim possível controlar
esse ângulo e, portanto, o nível de abertura dos dedos, em ângulo ou distância.
Também podem ser colocados nas extremidades dos dedos sensores de força, células
de carga, por exemplo, permitindo assim controlar a pressão exercida sobre o objeto a
ser manipulado, possibilitando o manuseio de peças frágeis sem risco de serem
quebradas. Esses sensores costumam ser colocados em pequenas almofadas coladas
nas extremidades dos dedos. [Prazos, 2002]
Na
Figura
2.08
são
mostradas
algumas
garras
de
dedos,
movimentadas por motores:
(a)
(b)
15
(c)
típicas,
(d)
(e)
Figura 2.08: (a) Garra de dedos paralelos com engrenagem e cremalheira. (b) Garra
acionada por came. (c) Garra acionada por parafuso. (d) Garra acionado por sem fim.
(e) Garra de dedos paralelos movimentada por motor. (Adaptado de Prazos, 2002).
Como já mencionado, existem garras acionadas pneumaticamente. Nesses
casos, o mais comum é utilizar pistões de efeito simples. Uma eletroválvula que
controla a passagem de ar comprimido permite que a haste do pistão seja empurrada
ou puxada caso seja permitida ou não a passagem de ar. Sendo extremamente difícil
controlar a posição da haste em pistões pneumáticos.
(a)
(b)
Figura 2.09: (a) Garra movimentada por pistão pneumático de efeito simples. (b) Garra
de dedos paralelos movimentados por um pistão de duplo efeito. (Adaptado de Prazos,
2002).
Na figura 2.10 é apresentado um robô SCARA da KUKA Robotics com uma
garra pneumática fixada no punho:
16
Figura 2.10: Robô SCARA da KUKA Robotics equipado com garra pneumática
(disponível em <www.kuka-robotics.com>).
Como atuadores hidráulicos utilizam-se, em geral, pistões hidráulicos de duplo
efeito. Eles são utilizados da mesma maneira que os pistões pneumáticos, com a
diferença que essas garras possuem um tamanho, uma velocidade de resposta e uma
força muito maiores, sendo portanto empregadas apenas para o manuseio de objetos
pesados.
2.3.1.2.
Garras a vácuo
As garras a vácuo estão conformadas por copos de sucção ou ventosas,
conectadas a uma bomba de vácuo através de uma eletroválvula. Quando a
eletroválvula é acionada, o ar é puxado pela bomba, criando um vazio na ventosa que,
dessa maneira, adere à peça em contato. Os requisitos usuais que devem observar os
objetos a serem manuseados é que devem ser planos, lisos e limpos, condição
necessária para formar um vácuo satisfatório entre o objeto e as ventosas. [Prazos,
2002]
O peso que a garra a vácuo pode transportar depende da pressão exercida
pela bomba de vácuo e da superfície da ventosa. Em certos casos, por exemplo
quando grandes pranchas precisam ser transportadas, é comum que o efetuador
esteja conformado por uma garra de várias ventosas, aumentando assim a área de
contato. [Prazos, 2002]
17
Entre as vantagens apresentadas pelas garras a vácuo, podem ser
mencionadas que exigem apenas uma superfície para pegar a peça, fazendo-as
adequadas para pegar lâminas de vidro ou metal, por exemplo; seu peso
relativamente reduzido, pelo menos se as comparado com as garras mecânicas com
dedos; e finalmente, pode-se apontar que são aplicáveis a uma grande quantidade de
materiais. A desvantagem óbvia é que só podem ser utilizadas em objetos que
apresentem uma superfície plana, além de terem uma área maior que a área das
ventosas, o que provoca que as garras a vácuo sejam inadequadas para a
manipulação de objetos muito pequenos ou com formas irregulares. [Prazos, 2002]
A Figura 2.11 apresenta exemplo de garra a vácuo:
Figura 2.11: Robô SCARA da Stäubli equipado com ventosa (disponível em
<http://www.staubli.com>).
2.3.1.3.
Eletroímãs e garras magnéticas
As garras magnéticas têm um formato similar às garras a vácuo, com a
diferença óbvia que no lugar de ventosas possuem eletroímãs ou ainda ímãs
permanentes. As garras magnéticas representam um meio muito razoável de
manipulação de materiais ferromagnéticos. Inclusive, dependendo da potência do
manipulador, é possível carregar objetos tão pesados como carros. Os objetos a
serem transportados, também neste caso, devem apresentar pelo menos uma
superfície plana onde o ímã poderá fazer contato físico. [Prazos, 2002]
Algumas vantagens apresentadas pelo uso de eletroímãs são [Prazos, 2002]:
o tempo de atuação é muito pequeno;
18
pequenas variações no tamanho da peça geralmente são perfeitamente
toleradas;
estas garras são, em geral, projetadas para diversos tipos de peças, sendo,
portanto, mais universais do que as garras a vácuo;
elas têm capacidade de manusear peças metálicas com furos (o que não é
possível fazer com garras a vácuo);
e com relação às garras de dedos, também têm a vantagem que precisam
apenas uma superfície de contato para pegar peça.
A grande desvantagem, naturalmente, é que só servem para manipular objetos
de material ferromagnético. Algumas garras magnéticas são fabricadas com ímãs
permanentes. Quando é necessário soltar a peça, um pistão pneumático a empurra
até afastá-la da zona de atração do campo magnético. Este método só é utilizado para
o manuseio de objetos relativamente pequenos e duros, por exemplo placas de aço
(Figura 2.12).
Figura 2.12: Garra magnética com imãs permanentes e pistões separadores
(adaptado de Prazos, 2002).
2.3.1.4.
Ganchos
Em muitas aplicações onde é preciso transportar volumes pesados, tais como
grandes pacotes, móveis, máquinas e outros tipos de cargas pesadas em geral, as
garras estudadas até agora podem mostrar-se inadequadas. Em alguns casos pode
ser devido à forma irregular da peça, o que elimina a possibilidade de usar garras a
vácuo. Em outros casos, o material da peça pode não ser ferromagnético, o que
elimina as garras magnéticas. O peso dela pode inviabilizar o uso de delicadas garras
de dedos mecânicas, entre outros motivos possíveis. Um gancho semelhante aos
utilizados nos guindastes, sempre assumindo que a estrutura restante do manipulador
possui a força suficiente, resolve a situação. [Prazos, 2002]
19
A vantagem deste sistema é a sua versatilidade, devido ao fato de não ser
preciso trocar o efetuador ao se mudar a peça a ser transportada. Uma desvantagem
evidente é que a peça precisa ter algum ponto onde o gancho possa pegá-la, por
exemplo uma amarra. Outra grande desvantagem deste sistema é que só serve para
transporte, mas não para o manuseio da peça de um jeito mais complicado, por
exemplo, orientando-a de maneira adequada para ser depositada no destino numa
posição determinada. [Prazos, 2002]
2.3.1.5.
Garras adesivas:
As garras adesivas utilizam como princípio de pegada do objeto uma
substância adesiva. Sua aplicação principal é na manipulação de tecidos e outros
materiais leves que dificilmente poderiam ser carregados utilizando outros tipos de
garras, seja por não apresentarem uma superfície lisa o suficiente para serem pegas
por garras a vácuo, ou por não serem feitas de materiais ferromagnéticos, entre outras
razões possíveis. Uma das limitações do emprego das garras adesivas é que elas
perdem sua adesividade pelo uso repetido, diminuindo sua confiabilidade como
dispositivo de pega com cada ciclo sucessivo de operação. Para contornar esta
limitação, em geral projetam-se essas garras como uma fita contínua sobre a qual é
depositado o material adesivo. Essa fita vai sendo enrolada a cada operação,
exatamente como acontece com as fitas de tinta das máquinas de escrever. O
dispositivo que sustenta essa fita e o mecanismo para enrolar ficam presos no punho
do manipulador. [Prazos, 2002]
2.3.2. Ferramentas
Como já mencionado, em algumas aplicações existe a necessidade de operar
sobre uma determinada peça, aumentando o valor agregado dela. Nesses casos,
podem ser utilizadas ferramentas de trabalho como dispositivos efetuadores, onde o
manipulador desloca tal ferramenta no lugar da peça a ser trabalhada, agora presa em
um local fixo. Em alguns casos utiliza-se algum tipo de garra para as operações de
pega e manipulação da ferramenta, com a conseqüente vantagem de permitir a
utilização de mais de uma ferramenta específica durante o ciclo de trabalho. A
utilização de uma garra possibilita a troca das ferramentas, o que facilita o manuseio e
a troca rápida de várias delas. [Prazos, 2002]
Na maioria das aplicações dos robôs SCARA nas quais se utiliza uma
ferramenta como efetuador, ela é presa diretamente no punho do manipulador. Nesses
casos a ferramenta é o próprio efetuador, o órgão terminal destinado a trabalhar sobre
20
a peça. Contudo, usualmente o robô SCARA não é utilizado com ferramenta, mas sim
com uma garra para manipular objetos. [Prazos, 2002]
2.4. Acionamentos e medição
O movimento em cada junta é realizado por atuadores. Existem diversas
opções de acionamentos que visam dotar um mecanismo de movimento. Podem ser
usados motores, solenóides, sistemas hidráulicos ou pneumáticos. [Braga, 2009] Cada
tipo de acionamento de um robô possui características específicas, que podem
significar vantagens e também desvantagens nas aplicações.
Para compreender que tipo de solução deve ser adotada em um projeto é
necessário estar atento justamente a estas propriedades, que serão analisadas na
sequência. No que se refere aos tipos comuns de soluções adotadas para se prover
um mecanismo de movimento, são apresentados nos casos a seguir.
2.4.1. Sistema hidráulico
Para os sistemas hidráulicos, pode-se citar:
Vantagens: obtém-se a maior potência de todos os sistemas descritos em
relação ao tamanho. Através de alta pressão, consegue-se operação do
dispositivo com alta velocidade de resposta. [Braga, 2009]
Desvantagens: as válvulas usadas são caras, e qualquer pequeno vazamento
pode causar problemas de funcionamento. A vedação do sistema pode ser
crítica, dependendo da aplicação. Da mesma forma, acionadores pequenos
são difíceis de se obter e de se trabalhar. O sistema para pressurizar o fluido é
complexo e caro em alguns casos. [Braga, 2009]
O acionamento hidráulico é geralmente associado a manipuladores de maior
porte, pois eles propiciam ao robô maior velocidade e força. Em contrapartida, ele se
soma ao espaço útil requerido pelo robô, o que o aumenta consideravelmente, além
de sofrer de outros inconvenientes tal como a possibilidade de vazar óleo. Os robôs
com acionamento hidráulico podem ter juntas prismáticas, movimentadas por meio de
pistões, ou de revolução, através de motores hidráulicos. [Prazos, 2002]
2.4.2. Sistema pneumático
Para os sistemas pneumáticos, pode-se citar:
21
Vantagens: pode-se obter uma boa potência em relação ao tamanho, e se alta
pressão for disponível, tem-se uma resposta muito rápida aos comandos.
[Braga, 2009]
Desvantagens: devido ao fato dos gases poderem ser comprimidos, há certa
instabilidade de funcionamento. Exige-se um compressor ou então um sistema
que armazene o gás pressurizado, a qual não pode estar disponível por muito
tempo. Do mesmo modo que nos sistemas hidráulicos, o sistema é sensível ao
escape (fugas), tornando-se crítica sua montagem. [Braga, 2009]
O acionamento pneumático é empregado em robôs manipuladores de pequeno
porte e com poucos graus de liberdade, geralmente não mais de dois. Por não terem
os pistões pneumáticos uma grande precisão, devido à compressibilidade do ar, esses
robôs assim acionados são utilizados em operações de “pega e põe” (conhecidos
como pick & place), onde os elos se deslocam bruscamente entre dois extremos
possíveis, dados pelos limites mecânicos dos pistões no modo de bang-bang, sem
possibilidade de controle sobre a trajetória intermédia do efetuador. [Prazos, 2002]
2.4.3. Motores elétricos de corrente contínua
Para os motores elétricos de corrente contínua, pode-se citar:
Vantagens: não precisam de nenhum recurso mecânico adicional como
válvulas ou tubulações. São simples de usar, pois basta ter um circuito de
controle
apropriado.
Podem
ser
interfaceados
diretamente
com
microcontroladores. São encontrados numa grande variedade de tamanhos,
tensões de alimentação e potências. [Braga, 2009]
Desvantagens: são pesados em relação a outros sistemas de propulsão e
precisam de uma potência elevada para funcionar. Apresentam problemas de
aquecimento e necessitam de sistemas de redução com engrenagens e outros
recursos. Os sistemas de redução são igualmente pesados e em alguns casos
caros. Dependendo da potência, podem também gerar calor. [Braga, 2009]
2.4.4. Motor de passo
Para os motores de passo, pode-se citar:
Vantagens: são relativamente pequenos, precisos e não necessitam de
elementos adicionais. Podem ser interfaceados diretamente com os circuitos
de controle como, por exemplo, computadores. Seu uso é relativamente
22
simples quando não se exigem movimentos complexos. Podem ser obtidos em
uma grande variedade de tamanhos e potências. [Braga, 2009]
Desvantagens: possuem uma potência muito baixa. Para se obter maior
potência precisam ser acoplados a caixas de redução. Requerem circuitos de
controle que, em alguns casos, podem ser bastante complexos em função do
movimento desejado. [Braga, 2009]
2.4.5. Servomotores
Para os servomotores, pode-se citar:
Vantagens: são pequenos e têm um custo mais expressivo. Em alguns casos,
os controladores também são simples e baratos. Não necessitam de recursos
especiais como reduções. [Braga, 2009]
Desvantagens: possuem uma potência muito baixa e são lentos, quando
comparados aos motores de passo ou sistemas pneumáticos. [Braga, 2009]
2.4.6. Atuadores lineares
Para os atuadores lineares, pode-se citar:
Vantagens: são muito fortes, podendo realizar esforços grandes. São simples
de usar, pois basta ter a alimentação elétrica apropriada. Podem facilmente ser
acoplados a controles por microprocessadores ou mesmo computadores.
[Braga, 2009]
Desvantagens: na maioria dos casos são grandes demais para utilização em
sistemas que exigem dispositivos pequenos como, por exemplo, robôs móveis.
Não são simples de se obter e custam caro. Em alguns casos devem ser
fabricados pelo próprio montador. [Braga, 2009]
A grande maioria dos braços articulados robôs SCARA é acionada por meio de
servomotores elétricos, conforme pesquisa realizada nos maiores fabricantes de robôs
industriais. O acionamento elétrico, ao contrário do pneumático ou hidráulico, é mais
facilmente controlável e oferece maior precisão de posicionamento. Os robôs podem
apresentar vários movimentos, sendo que cada um é realizado por meio de um
servomotor elétrico.
23
O princípio de acionamento do efetuador pode ser diferente do tipo de
acionamento dos braços articulados, pois o mesmo é implementado para o manuseio
adequado da peça a manipular. Por exemplo, um efetuador pode consistir de uma
garra de três dedos que se fecham sobre o objeto. Nesse caso, o movimento dos
dedos pode ser originado através de um motor elétrico, onde são utilizados, em geral,
pequenos motores D.C. de ímã permanente ou motores de passo. A rotação do eixo
do motor é transmitida e convertida em deslocamentos dos dedos através de
mecanismos que podem ser parafusos de acionamento, sistemas de polias ou trens
de engrenagens. Nesses casos é possível controlar a abertura dos dedos de maneira
tal a poder segurar objetos de diferentes dimensões e formas eficientemente, dentro
dos limites lógicos dados pelo tamanho do efetuador.
Em outros casos, o deslocamento dos dedos é implementado por meio de
pistões pneumáticos. Em geral, é muito difícil controlar a posição da haste nesses
dispositivos devido a que, por ser o ar compressível, não existe a possibilidade de um
controle simples e eficiente da posição da haste do pistão. [Prazos, 2002] Por tal
motivo, esses efetuadores funcionam à maneira de bang-bang, isto é, possuem
apenas duas posições dos dedos, abertos e fechados, determinadas pelos limites
mecânicos da haste do pistão. [Prazos, 2002] Outros princípios de acionamento para
efetuadores incluem eletroímãs, ventosas a vácuo, pistões hidráulicos, entre outros.
Conforme pesquisa realizada nos maiores fabricantes de robôs industriais, O
posicionamento dos robôs SCARA é medido através de encoders acoplados ao
servomotor que por sua vez está acoplado ao sistema de transmissão. O encoder é
um sensor que converte um movimento angular ou linear em uma série de pulsos
digitais elétricos, fornecendo para o controlador dados suficientes para transformá-los
em posição, velocidade ou rotação. [Matias, 2003] A resolução do encoder varia de
modelo a modelo do robô SCARA e é um fator determinante para a precisão e
repetilidade do robô.
A conversão desses movimentos em pulsos elétricos é feita através da
detecção fotoelétrica, onde uma série de pulsos são gerados pela passagem da luz
em um disco opaco, com várias aberturas transparentes. O receptor detecta a luz
enviada pelo emissor e também a falta de luz, gerando assim os pulsos digitais (0 e 1).
Existem dois tipos de encoders chamados de encoders incrementais e absolutos
[Matias, 2003], sendo que o último é mais utilizado nos robôs SCARA industriais.
Em diversas aplicações o controlador precisa conhecer algumas grandezas
físicas que dizem respeito ao ambiente ou ao objeto a ser manipulado. Por exemplo,
24
para o manuseio de objetos frágeis, é necessário controlar não apenas a abertura dos
dedos da garra como também a força que eles exercem sobre o objeto segurado.
Nesses casos, os efetuadores possuem algum tipo de sensores de força, em geral
strain gauges, nas extremidades dos seus dedos, e algum sensor de posição, em
geral encoders óticos incrementais, solidários com o eixo do motor de acionamento.
Em outras situações é necessário medir a força exercida sobre algum objeto do
ambiente. Em tais situações a força a ser medida é a que o último elo imprime sobre a
superfície onde se apoia o objeto ou ferramenta, e para isso são utilizados strain
gauges no punho do manipulador, que informam ao controlador não apenas sobre a
intensidade da força exercida, mas também sobre sua orientação de maneira tal a
poder orientar o efetuador perpendicularmente à superfície e exercendo a força
adequada. Outros sensores utilizados em efetuadores podem ser sistemas de visão
digitais inseridos neles, que permitirão ao controlador posicioná-lo e orientá-lo de
maneira adequada segundo a orientação do objeto a ser manipulado, analisando a
imagem fornecida pela câmera. [Prazos, 2002]
2.5. Controle e Interface
O controlador é composto de circuitos eletrônicos utilizados para controlar o
manipulador e equipamentos periféricos, como motores elétricos, circuitos de
sinalização, etc. Cada controlador é fornecido juntamente com o manipulador, não
podendo ser usado com outro tipo. Não deve ser colocado ou operado em ambientes
explosivos e obedece aos padrões de proteção IEC-529, sendo o circuito controlador
IP54 aquele que tem proteção contra poeiras e pequenas quantidades de água. A
temperatura ambiente de trabalho é entre +5°C e +70 °C e a fonte de alimentação com
tensão de rede típica entre 200 e 600 ܸ஼஺, com condutor de aterramento. [Moura,
2004]
O controle é feito por uma unidade de controle principal e duas unidades
secundárias: o controlador dos eixos e o controlador de entradas e saídas (Figura
2.13). O controlador dos eixos, obedecendo ao programa que roda no computador
principal, calcula os movimentos de cada eixo para executar o movimento
programado, ajustando a velocidade, tipo de movimento e coordenadas dos pontos. O
cálculo dos movimentos é feito comparando os dados dos resolvers de cada eixo às
coordenadas do ponto programado. [Moura, 2004]
25
Figura 2.13 Estrutura do controlador (adaptado de Moura, 2004)
A placa de monitoramento de posição possui alimentação de reserva através
de uma bateria para que as informações de voltas não sejam perdidas durante uma
falha de energia [Moura, 2004]. No caso de falta de energia, quando esta for
restabelecida, o computador dos eixos consulta estes dados.
O computador de entradas e saídas tem uma função parecida com um CLP, ele
lê as entradas de sensores analógicos ou digitais e atua as saídas, quando ordenado
pelo programa. Desta forma, permite comunicação com equipamentos externos
através de entradas e saídas digitais e sinais analógicos. Também são encontrados
opcionais para comunicação em redes industriais tipo ASI ou Profibus, por exemplo,
que também são controladas pelo computador de entradas e saídas. [Moura, 2004]
Os controladores possuem dois tipos de memória, uma memória RAM utilizada
como memória de trabalho e uma memória de disco rígido, usada como memória de
massa para armazenar o sistema operacional e programas de usuário. Também há a
possibilidade de armazenar programas e configurações do robô em discos rígidos
portáteis.
A memória RAM é empregada na execução do software de sistema e dos
programas do usuário. No disco rígido estão os dados de inicialização (boot), uma
área de dados específicos do sistema, uma área de memória do usuário que pode ser
usada para armazenamento de programas, dados, registros, etc. [Moura, 2004]
Como já visto anteriormente, o controlador “cuida”, através do programa de
controle, para que o manipulador realize a tarefa programada com a maior precisão
possível dentro das especificações técnicas. Em caso do robô ser movimentado por
motores de passo, ele pode ser controlado em malha aberta, por possuírem esses
dispositivos precisão na rotação. Mas se for acionado por motores de corrente
contínua, é necessário fechar a malha através de sensores, porque o controlador
precisa conhecer a resposta do manipulador a fim de imprimir nos motores os sinais
de excitação necessários para executar a trajetória com precisão. Os sensores
26
utilizados são sensores de posição, um para cada junta. Os mais comuns são os
encoders óticos incrementais, onde o controlador vai contando os pulsos entregues
pelo sensor ótico para conhecer a posição da junta. Às vezes são empregados
potenciômetros rotativos também, onde o sinal analógico entregue é proporcional ao
ângulo de rotação da junta. Na hipótese da junta ser prismática, uma engrenagem
pode converter o movimento linear para uma rotação e assim entregar a informação
para um encoder. Também podem ser usados sistemas de visão digitais, pois
analisando a imagem fornecida, o controlador pode conhecer a posição de todas as
juntas do braço. [Prazos, 2002] A Figura 2.14 ilustra um controlador de robô SCARA
industrial:
Figura 2.14: Controlador TS3100 dos robôs SCARA da TOSHIBA MACHINE
(disponível em <http://www.toshiba-machine.co.jp>)
A interface com o usuário ocorre de duas maneiras: localmente, ou seja,
próximo ao controlador ou remotamente através de protocolos indústrias interligando o
controlador a um sistema de supervisão de controle em um PC. A Figura 2.15
apresenta o painel de controle local do robô SCARA IBM 7535:
Figura 2.15: Painel de controle do robô SCARA IBM 7535 (adaptado de Gorgulho, 2003).
27
Os grandes fabricantes de robôs SCARA não oferecem informações precisas a
respeito do controlador e da interface de seus robôs. Apenas informações genéricas
que forma colocadas anteriormente no texto. Isso acontece pois o controlador e a
interface geralmente são os diferenciais de cada fabricante, sendo um dos fatores
determinantes para, por exemplo, a velocidade de atuação e precisão do robô.
Portanto, o controlador e a interface são equipamentos dedicados a cada robô, sendo
uma verdadeira “caixa-preta”.
28
3. METODOLOGIA
A Metodologia empregada no Projeto Conceitual implica realizar uma avaliação
sobre as alternativas existentes que satisfaçam as especificações do produto. Essas
especificações foram geradas com a metodologia do projeto informacional, anterior ao
apresentado nesse momento. As alternativas existentes são o resultado da pesquisa
sobre projetos, produtos e soluções já criados e analisados na revisão bibliográfica.
Com a avaliação dessas opções, será possível ter um conceito sobre como deve ser o
braço robótico SCARA a ser projetado. Assim, o projeto conceitual envolve duas fases
de trabalho metódicas principais: análise, decomposição do projeto do robô SCARA
que determina o estabelecimento de estruturas funcionais e síntese, composição de
funções através dos princípios de solução que realizem a estrutura funcional.
3.1. Análise
Nesta seção serão analisadas as especificações e identificadas as restrições
do projeto, a partir do projeto informacional. Além disso, será elaborada a estrutura
funcional do robô SCARA considerando sua função global.
3.1.1. Escopo do projeto
A elaboração do conceito passa por uma elaboração do mapa conceitual do braço
robótico. Com isso, é possível estabelecer estruturas de funções de dispositivos. Para
isso, se estuda a rede semântica de conceitos associados ao projeto informacional.
Dessa forma, é feita uma análise do escopo do projeto de acordo especificações
vindas do projeto informacional. Finalmente, se estabelece o mapa conceitual do robô
SCARA.
No projeto informacional, realizado, estudou-se o problema de projetar um robô
SCARA com fins didáticos. Para tanto, detalhou-se o problema e criaram-se
especificações técnicas sobre a estrutura geral do robô. Após, obteviram-se as
especificações do projeto. Naquela fase, foram utilizados conceitos como interface,
controlador, efetuadores, juntas, acionadores, transmissão, entre outros.
Resumidamente, o robô deverá ser de pequeno porte, para transporte de cargas
pequenas, utilizar atuadores com motores elétricos de pouca potência e precisos. Sua
estrutura deve ser composta por um material leve, rígido, durável e de fácil acesso e
operação. Seu modo de controle é aconselhado a ser de fácil interface com unidade
29
de controle e flexível para novas instruções e modos de operação futuros. Exemplos
numéricos das grandezas, são apresentados na tabela a seguir (Tabela 3.01):
Especificações do produto
Requisitos do projeto
Dimensões
Valor (aproximado)
500x150x500 mm (CxLxA)
Raio de alcance
350 mm
Posição de montagem
Bancada
Grau de liberdade
3 graus de liberdade
Movimentos
Translação e rotação
Direções
Horizontal e vertical
Velocidade
5 cm/s de translação e 120 º/s de rotação
Carga
0,2 kgf
Fonte de alimentação
24 Vcc/4 A
Potência dos motores
100 W
Materiais
Sinais
Automação
Controle
Polímero rígido
Digitais e analógicos com modulação PWM
CLP compacto
Malha aberta
Tabela 3.01: Especificações do produto
Com isso, é possível gerar o mapa apresentado na figura 3.01:
30
Figura 3.01: Mapa conceitual do braço robótico SCARA
3.1.2. Estrutura funcional
É um fato que a solução de problemas técnicos é satisfeita com o auxílio de
estruturas técnicas. A idéia da criação de uma estrutura funcional é entender objetos
ou estruturas como sistemas em contato com a circunvizinhança por meio de variáveis
de entrada e de saída, que podem ser sinais, energia, materiais, etc. Quem aponta
para essas relações é o mapa conceitual, realizado na etapa anterior.
Para o projeto conceitual do braço robótico tipo SCARA, o diagrama da
estrutura funcional fica como apresentado na figura a seguir (Figura 3.02). Como
pode-se perceber, deverá haver uma entrada de sinal que possibilite ao dispositivo
saber para qual posição levar a garra. A unidade de controle deverá escolher qual a
31
trajatória a ser seguida com essa ordem. Em seguida, haverá a interface do sinal de
controle com o movimento propriamente dito, o que será feito por meio de motores
elétricos, os quais geram movimento em juntas. Após um tempo conhecido pelo
controle, suficiente para que o garra chegue a um objeto, a CPU deverá acionar a
garra com o intuito de tomar alguma ação sobre o objeto. Para transportá-lo, o controle
deve, na sequencia informar novas ordens de controle para os atuadores de juntas.
Finalmente, após certo tempo a garra deve ser liberada, no intuito de concluir a
missão, ou seja, atingir a posição final com o objeto
Figura 3.02: Diagrama da estrutura funcional do braço robótico SCARA
3.2. Síntese
A partir da pesquisa bibliográfica realizada e análise de técnicas existentes, é
possível selecionar as soluções para a confecção do robô SCARA. O material primário
da estrutura (base e elos) será o alumínio, tendo em vista sua baixa densidade,
acabamento satisfatório e facilidade de acesso. Para juntas será utilizado o próprio
eixo do acionador.
Os acionadores que utilizam energia elétrica como fonte de energia são de fácil
acesso nos laboratórios da UFRGS. Portanto, os motores de passo serão utilizados
como acionadores do robô SCARA, pois são mais baratos que o servo motor e
possuem uma precisão satisfatória para a aplicação. O custo é o fator fundamental
que define a escolha entre motores de passo e servomotor.
Novamente levando em consideração o custo, a fonte de energia do efetuador
será a mesma utilizada pelos acionadores, ou seja, energia elétrica. Desta maneira,
será utilizada a garra magnética já que não há restrição quanto a tipo de material que
será transportado, bem como o robô será utilizado para transportar cargas leves (0,2
kgf.).
32
A partir destas definições, é possível elaborar um protótipo do braço articulado
e com efetuador do robô SCARA, conforme é mostrado na Figura 3.03:
Figura 3.03: Protótipo braço articulado com efetuador do robô SCARA.
Quanto ao controlador, será utilizado um Controlador Lógico Programável que
é um equipamento conhecido pelos estudantes do curso de Engenharia de Controle e
Automação da UFRGS e tem recursos para realizar o controle do robô SCARA. Já a
interface, será utilizado através de um computador equipado com algum software
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), tal como o Elipse SCADA,
fabricado pela Elipse Softwares.
A Figura 3.04 ilustra o robô SCARA formado
pelo
efetuador, o controlador lógico programável e a interface:
33
braço
articulado
com
Figura 3.04: Protótipo do robô SCARA.
34
4. CONCLUSÕES
O projeto conceitual apresentado especifica as características construtivas
gerais do robô SCARA em acordo com as especificações do produto provenientes do
projeto informacional. Desta maneira, criou-se uma concepção do produto a ser
desenvolvido atendendo da melhor maneira possível às necessidades detectadas e
esclarecidas no projeto informacional.
As soluções e alternativas de construção do robô SCARA, selecionadas
através de pesquisa e análise de outras soluções existentes bem como a proposição
de novas ideias, estabelecem mais precisamente as limitações e as restrições do
produto. Além disso, definiram-se os recursos que serão utilizados para a confecção
do robô SCARA.
O projeto ainda apresenta alguns desafios, tais como: acoplar as juntas
deslizantes e rotacionais aos elos do braço articulado do robô e estabelecer o
protocolo e comunicação entre o controlador e a interface. Estas e outras questões
serão analisadas de maneira mais profunda nas próximas etapas de projeto. A partir
do projeto conceitual, é possível iniciar a fase do projeto preliminar seguida pela fase
de projeto detalhado concluindo, assim, a macrofase de projeto do processo de
desenvolvimento do produto.
35
5. REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS
[01] GROOVER, M. P., ZIMMERS, E. W. CAD/CAM: computer-aided design
and manufacturing, Prentice-Hall, 1984.
[02] RIVIN, E. Mechanical Design of Robots, 1.ª Edição., McGraw-Hill Inc.,
New York, 1988.
[03] GROOVER, M. P., Automation, production system and computer
integrated manufacturing, Prentice-Hall, 1987.
[04] CARRARA, Valdemir. Apostila de Robótica, 2011.
[05] MOURA, José Luiz de. Robôs cartesianos. Mecatrônica Atual, São Paulo,
edição 15, abr. 2004.
[06] GORGULHO, José Hamilton Chaves Júnior. Conhecendo o robô SCARA.
Mecatrônica Atual, São Paulo, edição 13, dez. 2003.
[07] PRAZOS, Fernando A. Robôs Manipuladores - Parte 1. Mecatrônica Atual,
São Paulo, edição 02, fev. 2002.
[08] PRAZOS, Fernando A. Efetuadores. Mecatrônica Atual, São Paulo, edição
04, jun. 2002.
[09] BRAGA, Newton C. Escolhendo músculos de robôs. Mecatrônica Atual, São
Paulo, edição 47, jun. 2009.
[10] MATIAS, Juliano. Encoders. Mecatrônica Atual, São Paulo, edição 03, dez.
2003.
[11] MOURA, José Luiz de. Robôs Articulados. Mecatrônica Atual, São Paulo,
edição 16, jul. 2004.
[12]
Site da EPSON ROBOTS <www.robots.epson.com > acessado em Junho de
2012.
[13] Site da KUKA ROBOTICS <www.kuka-robotics.com>, acessado em Junho de
2012.
[14] Site da ADEPT <www.adept.com >, acessado em Junho de 2012.
[15] Site da TOSHIBA MACHINE <http://www.toshiba-machine.co.jp>, acessado
em Junho de 2012.
[16] Site da SÄUBLI <http://www.staubli.com>, acessado em Julho de 2012.
36