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CAPÍTULO 2
2. ROBOTHRON E SUA ESTRUTURA
Neste capítulo são descritos aspectos construtivos de manipuladores robóticos e
com a apresentação da anatomia e componentes de robôs manipuladores. São apresentados
sistemas de transmissão, atuadores e sensores de movimento responsáveis pela
movimentação de manipuladores robóticos. Também é relatada a história do robô
Robothron. O capítulo completa-se com uma exposição detalhada das partes componentes
do braço deste manipulador.
2.1 ANATOMIA E COMPONENTES DE ROBÔS
MANIPULADORES
Os robôs manipuladores são estruturas mecânicas de geometria variada,
compostos, na sua maioria por corpos rígidos, articulados entre si, com a finalidade de
sustentar e posicionar um dispositivo terminal, como uma garra ou uma ferramenta
especializada que entra em contado com o processo [9].
2.1.1 Elementos do Manipulador
Um robô é composto de um manipulador, uma unidade de controle e uma unidade
de programação. O manipulador compõe-se de corpos rígidos como uma base, um braço e
um punho que traz em sua extremidade o efetuador final. O efetuador final é a ferramenta,
garra de manipulação ou dispositivo que realiza trabalho externo ao robô. Estes corpos
rígidos, denominados elos, são interligados por articulações ou juntas móveis que
proporcionam os movimentos relativos entre os elos. O movimento relativo que uma junta
pode realizar num espaço tridimensional denomina-se grau de liberdade.
9
As juntas podem ser rotacionais e translacionais ou prismáticas. As juntas rotacionais
(Figura 3a) possibilitam movimentos de giro dos elos em torno de um eixo de rotação. Já
as juntas prismáticas (Figura 3b), permitem o movimento linear entre dois elos alinhados
um dentro do outro. O elo interno escorrega pelo elo externo originando o movimento
linear.
(a)
(b)
Figura 3 - (a) Juntas rotacional e (b) prismática
Fonte: o autor
A Figura 4 apresenta a disposição da montagem dos elos conectados por juntas
compondo a cadeia cinemática de um manipulador.
Articulações
ou Juntas
Elos
Figura 4 – Elos e Articulações
Fonte: o autor
Se os elos estão dispostos em série, então a cadeia de elos é dita aberta. Por outro
lado, se estes formam um laço fechado, tem-se uma cadeia cinemática fechada. A
classificação dos robôs, referente aos tipos de cadeias de elos ou cadeias cinemáticas, é
apresentada a seguir:
•
Cadeia cinemática serial: É definida como uma seqüência de elos e articulações,
sempre existindo um elo entre duas articulações. A Figura 5a exibe um manipulador com
cadeia cinemática serial.
•
Cadeia cinemática fechada: É definida como uma seqüência de elos conectados por
articulações que formam uma estrutura de malha fechada. Figura 5b exibe um manipulador
com cadeia cinemática em formato de paralelogramo.
•
Cadeia em árvore: É derivada da cadeia serial e apresenta uma estrutura com
10
vários órgãos terminais. A Figura 5c exibe um manipulador com cadeia cinemática em
formato de árvore [4].
(a)
(b)
(c)
Figura 5 – Cadeias cinemáticas (a) serial; (b) fechada e (c) em árvore
Fonte: o autor
Os dois últimos tipos são classificados como cadeias cinemáticas complexas [4].
Para movimentar a cadeia cinemática, independente da forma da sua estrutura, são
utilizados atuadores e sistemas de transmissão.
2.1.2 Sistemas de transmissão
Os sistemas de transmissão são dispositivos que transmitem a energia mecânica
gerada nos atuadores para os elos. Eles permitem realizar a movimentação dos elos nas
articulações. Os sistemas de transmissão são compostos de engrenagens, fusos de esferas
recirculantes (Figura 6-a), correias e polias dentadas (Figura 6-b), correntes, cabos, fitas de
aço e engrenagens harmônicas ou redutores harmônicos4.
(a)
(b)
Figura 6 - (a) Fuso de esferas recirculantes; (b) polia e correias dentada
Fonte: Telecurso 2000
Estes dispositivos influenciam diretamente a rigidez e a eficiência operacional,
4
O Redutor Harmônico (harmonic drive) foi inventado por Walt Musser em 1955, EUA.
11
importantes características de funcionamento do manipulador. ADADE, 1999 define
rigidez como a resistência oferecida por um corpo a deformações quando submetido a
esforços. Assume-se que os elos são considerados corpos rígidos para a grande maioria dos
manipuladores industriais.
2.1.3 Atuadores
Os atuadores são dispositivos que convertem a energia elétrica, hidráulica ou
pneumática, em energia mecânica e através dos sistemas de transmissão possibilitam o
posicionamento e movimentação dos elos.
Os atuadores hidráulicos e pneumáticos podem proporcionar movimentos lineares
ou angulares. Ambos são comandados por válvulas direcionais que orientam a passagem
do fluido sob pressão. Tanto os atuadores hidráulicos, como pneumáticos necessitam de
unidades de compressão do fluido que transmitem energia para o sistema [10].
Os atuadores eletromagnéticos são representados por motores elétricos. Os motores
elétricos utilizados podem ser de corrente contínua, motores de passo ou servomotores de
corrente alternada. Estes atuadores utilizam circuitos eletrônicos complexos para o
acionamento, que são circuitos de eletrônica de potência.
2.1.4 Sensores de Posicionamento e Movimento Rotacional
Os sensores são dispositivos que medem as grandezas envolvidas nos movimentos
e forças aplicadas pelos atuadores aos elos do robô. Os sensores que medem o
posicionamento e velocidade dos motores são os codificadores digitais de posição
(encoders) ou resolvers.
Os codificadores digitais de posição são dispositivos eletromecânicos que
convertem a rotação angular em sinais digitais através da codificação da posição num disco
óptico [11]. Os codificadores digitais absolutos (Figura 7-a) possuem um único sistema de
codificação para cada posição do disco óptico, já os codificadores incrementais (Figura 7b) apresentam pulso de indexação da posição e outros dois defasados de 90º que permitem
12
aumentar a resolução e determinar a direção do giro[7] [12].
(a)
(b)
Figura 7 – Codificadores digitais de posição (a) absoluto; (b) incremental
Fonte: http://www.diadur.com/phaise2/incenc.html
Os resolvers são sensores analógicos cujo funcionamento elétrico assemelha-se ao
dos transformadores. São constituídos de um enrolamento primário (rotor), alimentado
com tensão C.A. de freqüência constante, e dois enrolamentos secundários (estatores)
defasados fisicamente de 90º cujas tensões induzidas são proporcionais à posição do eixo
[13] [9].
(a)
(b)
Figura 8 - (a) modelo do resolver; (b) tensões no primário e secundários
Fonte: www.mechatronik.uni-duisburg.de/..../robo_23.html - acesso: 26/05/2004
Os resolvers determinam a posição absoluta e devido a característica analógica, a
sua resolução e precisão são limitadas apenas pela eletrônica do circuito.
2.1.5 Estrutura do Robô
A estrutura do manipulador está conectada a uma unidade de controle e
programação. O sistema de programação instalado na memória do computador dentro da
13
unidade de controle é acessado por meio do painel remoto de programação. Através deste
painel são inseridos os programas para o controle dos movimentos do manipulador e do
efetuador final [11]. A Figura 9 exibe um diagrama em blocos da estrutura funcional de um
robô manipulador.
Painel Remoto
de
Programação
Memória
CPU
de
Controle
Sensores
Atuadores
e
Acionadores
Articulações /
Juntas
Efetuador Final /
Ferramentas
Figura 9 - Diagrama em blocos de um Robô
Fonte: SPONG, 1989
O computador (CPU) de controle, composto por microprocessadores, coprocessadores matemáticos e unidades de memórias, processa os programas através do
sistema de controle, convertendo-os em sinais elétricos de comando para o sistema de
acionamento dos atuadores que movimentam os elos através das transmissões e realizam os
movimentos. O sistema de controle calcula o torque necessário para os atuadores e
sincroniza os movimentos nas juntas garantindo a posição e orientação corretas do
efetuador final, de acordo com as informações provenientes dos sensores. Para cada
articulação, existe uma malha de controle que faz a atuação e aquisição de sinais.
O controle utilizado nos manipuladores robóticos pode ser realizado de dois modos:
robôs com controle em malha-aberta e robôs com controle em malha-fechada. Robôs com
controle em malha-aberta são chamados robôs não-servo controlados ou robôs de
seqüência fixa, empregam chaves de fim de curso, ou sensores indutivos para definir o
final das trajetórias ou a seqüência das operações, como por exemplo, os robôs do tipo
pega–e-põe (pick-and-place). Esta estrutura de controle empregada nos primeiros
14
manipuladores, em função da tecnologia disponível na época, não suporta estratégias de
controle mais sofisticadas [14].
Na grande maioria das tarefas onde são exigidas a precisão no posicionamento e a
repetibilidade5 é necessário um controle mais refinado e preciso, nesse caso, utiliza-se um
sistema de controle em malha-fechada (robôs servo-controlados), empregado em controle
de posição, velocidade e força.
O espaço dentro do qual o manipulador do robô pode mover seu efetuador final é
denominado volume de trabalho. Este volume é delimitado pela configuração física, pelas
dimensões dos elos e pelas limitações dos movimentos nas articulações do manipulador.
A estrutura dos elos e articulações associada ao volume de trabalho do manipulador
possibilita classificar os manipuladores robóticos como: robôs de coordenadas cartesianas
ou prismáticos, robôs de coordenadas cilíndricas, robôs de coordenadas esféricas, e. robôs
articulados ou antropomórficos.
Os robôs também podem ser classificados em dois grandes grupos: Os robôs fixos
(rígidos ou flexíveis) e robôs móveis.
Os robôs rígidos apresentam em sua estrutura, elos e elementos de contato rígidos
nas juntas, rigidez estrutural suficiente para que não haja oscilações durante os
movimentos.
Os robôs flexíveis são formados por elementos não-rígidos, ou seja, apresentam um
certo grau de elasticidade nas transmissões e articulações ou a presença de interação nos
contatos entre o manipulador e o ambiente de trabalho. O primeiro grupo dos robôs
manipuladores rígidos é o objeto de interesse desse trabalho.
2.2 A HISTÓRIA DO ROBOTHRON
O Robothron é um robô que depois de concluído, apresentará estrutura articulada,
punho esférico RPR e um mecanismo paralelo de quatro barras para o acionamento da
junta 3.
Em março de 1995, foram traçados os primeiros planos para o projeto e construção
de um robô na Sociedade Educacional de Santa Catarina. Em junho de 1996, iniciou-se o
projeto do punho esférico (Roll-Pitch-Roll) do robô e sua construção foi concluída em
5
Repetibilidade é a capacidade do robô atingir repetidamente uma mesma posição, dentro de certa precisão.
15
1998 [15].
Após esta etapa, iniciou-se o estudo da geometria do braço que consiste de uma
estrutura rígida de cadeia aberta, parte da qual é mostrada na Figura 10(a). A Figura 1(b)
mostra a idéia inicial da localização do acionamento do cotovelo diretamente conectado à
junta três, logo abaixo do mecanismo do punho.
(a)
(b)
Figura 10 – (a) Concepção da base, ombro e cotovelo do Robothron;(b) Punho
Fonte: LEAL, J. C,1995.
Analisando-se esta primeira versão, conclui-se que a junta dois fica sobrecarregada
em razão do peso excessivo das massas do acionador e do atuador da junta três. Várias
idéias foram examinadas para aliviar o excesso de esforço sobre a junta dois.
Uma das hipóteses consideradas foi realizar a transmissão de forças para
movimentar o punho utilizando uma estrutura mecânica acionada por meio de fuso de
esferas recirculantes, inspirada no robô AS100 fabricado pela ASEA [10], mostrado na
Figura 11
16
Fuso de esferas
recirculantes
Figura 11 – Manipulador AS100 que utiliza fuso de esferas recirculantes
Fonte: ASEA.
Esta estrutura projetada apresenta como desvantagem as limitações nos
movimentos das articulações, que dependem do comprimento do fuso guia (Figura 12).
Alavanca
Fuso de esferas
Guias
Guiados
do fusos
de
defuso
esferas
esferas
Figura 12 – Esboço do manipulador com acionador de fuso de esferas recirculantes
Fonte: Leal, J C., 1995.
Até este ponto, o robô proposto apresentava somente 5 graus de liberdade, alguns
com acionamento direto por servomotores e dois com transmissão de movimentos aos
eixos acionados feita por alavancas utilizando o fuso de esferas recirculantes. Este sistema
restringia o espaço de trabalho do robô devido ao espaço físico ocupado pelo conjunto. A
grande quantidade de elementos móveis presentes no mecanismo o tornaria passível de
17
folgas causando problemas precisão e repetibilidade.
Esta versão foi abandonada em favor do uso de “redutores harmônicos” [7]. Os
redutores harmônicos são mecanismos de transmissão de movimentos por engrenagens
destinados a reduzir ou aumentar a velocidade em sistemas mecânicos. São compostos por
gerador de onda, engrenagem flexível e engrenagens circulares, como mostra a Figura 13.
Engrenagem circular
Engrenagem flexível
Gerador de onda
Figura 13 – Mecanismo de transmissão redutor harmônico
Fonte: www.harmonic-drive.com
O gerador de onda é composto de um rolamento com formato elíptico preciso e de
um anel de aço, geralmente é conectado ao servomotor. A superfície exterior do anel
pressionada pelo rolamento conforma-se à mesma forma elíptica. A engrenagem flexível é
uma lâmina fina de aço reforçado, montada externamente ao gerador de onda. As
engrenagens circulares externas são anéis de aço rígido com os dentes no perímetro
interno, geralmente uma delas é fixada à carcaça do servomotor e não gira e a outra fixada
ao elo. O gerador de onda conforma a lâmina flexível ao seu formato elíptico, que, por sua
vez, acopla-se aos dentes das engrenagens circulares externas, transmitindo o movimento
[16].
O principal problema do projeto da estrutura apresentada na Figura 12,
consistia em posicionar o sistema de transmissão e o atuador da junta 3 para uma região
mais próxima da base, deslocando o centro de massa com o propósito de reduzir o efeito
inercial das massas da localizadas na junta 3 sobre o mecanismo da junta 2. Cogitou-se em
usar um mecanismo com correias dentadas, cujo esboço está representado na Figura 14
(podem-se ver as polias na parte de trás do mecanismo).
Este tipo de transmissão não suporta a potência necessária de ser transmitida em
função do peso e da inércia do punho.
18
Mecanismo
da Polia
Correia dentada
Figura 14 – Acionamento das juntas 2 e 3 utilizando correia dentada
Fonte: Leal, J C., Rel. de Estágio.
A idéia de utilizar-se mecanismo de acionamento da junta 3 por correia dentada foi
abandonada em favor do conceito de um mecanismo de acionamento paralelo de quatro
barras como é mostrado na Figura 14. Este mecanismo transmite a força para a junta 3
através de um braço de alavanca, reduzindo assim o peso na junta 3 e concentrando-o mais
próximo da base.
Manipuladores de cadeia fechada são aqueles cuja estrutura cinemática contém uma
ou mais malhas-fechada, são ainda objetos de estudo e preferidos em pesquisas e
aplicações industriais devido a sua tendência a serem mais rápidos e precisos que os
mecanismos de cadeia aberta [17]. Outro aspecto de sua importância é a transmissão de
força (necessária) requerida para as tarefas que exigem controle de força. Exemplos de
tarefas assim são esmerilhamento, aplicação de troque em porcas e parafusos.
19
2.3 Estrutura do Braço e da Base do Robothron
O primeiro modelo para a estrutura de paralelogramo é constituído de duas placas
metálicas paralelas unidas somente pelos eixos das juntas dois e três e uma alavanca
destinada a transferir o movimento do acionador (axialmente alinhado ao eixo da junta 2)
para a junta 3. Os componentes da base e do braço e antebraço do Robothron são
representados esquematicamente pela Figura 15.
Neste modelo, como no anterior, também foram adotadas correias dentadas para
acoplar os eixos dos motores aos mecanismos movimentação.
Juntas 4,5,6
RPR
Junta 3 localizada no
centro de gravidade
Servomotores
CA
Flange para
Instalação da
Ferramenta
Punho
Esférico
RPR
Alavanca do mecanismo
de quatro barras
Acionamento por
correia dentada
Junta 2, do
Ombro
Base
Estacionária
Figura 15 – Mecanismo do manipulador Robothron
20
Um modelo em madeira (Figura 16) revelou problemas de estabilidade e uma
torção indesejada no braço e uma simulação em computador utilizando CAD, calculou-se
que placas laterais de sustentação do antebraço e do punho pesariam 35kg cada uma,
comprometendo o mecanismo de movimentação da junta do ombro.
Figura 16 – Modelo do Robothron em madeira
Escolhido o modelo estrutural para a base, ombro e cotovelo do manipulador,
iniciou-se um pré-projeto, cuja representação tridimensional da estrutura é apresentada na
Figura 17.
Figura 17 – Representação 3D do manipulador do Robothron com paralelogramo
21
Com base nos dados de massas e centro de gravidade obtidos da simulação em
computador, novas modificações foram introduzidas, substituindo-se as placas laterais do
braço que estavam separadas por uma única estrutura com formato retangular para o corpo
do braço, porém mantendo o conceito do mecanismo de quatro barras e favorecendo a
rigidez estrutural (Figura 18).
Figura 18 – Manipulador Robothron
A Figura 19(a) mostra isoladamente corpo do braço e o antebraço, sem a base e a
Figura 19(b) detalha somente o paralelogramo.
22
Figura 19 – (a)Antebraço e braço (b) paralelogramo
A Figura 20(a) exibe detalhes internos do mecanismo do ombro do manipulador,
como a alavanca inferior da junta 3 e respectivo mancal; o eixo da junta 2 e mancais das
juntas dois e três são mostrados na Figura 20(b) e os fixadores das laterais de apoio e a
placa base para a conexão do ombro do manipulador sobre o mecanismo da base, na Figura
20(c).
(a)
(b)
(c)
Figura 20 – Elementos das juntas 2, 3 e elo 1
Os componentes internos da base, a saber, o eixo, mancal e adaptador da base são
mostrados na Figura 21(a), (b) e (c), respectivamente.
A placa base do ombro é montada sobre o eixo da base que se encaixa sobre o
mancal da base e este é suportado pelo adaptador da base. O adaptador da base fixado no
interior da base tem a função de suportar todo o manipulador.
23
(a)
(b)
(c)
Figura 21 – (a) Eixo, (b) mancal e (c) adaptador da base
A Figura 22 mostra a base, que tem como função dar sustentação e permitir a
fixação do manipulador do robô ao piso.
Figura 22 – Base do manipulador
Definido o tipo da estrutura, esboçados os mecanismos, determinados tipos de
materiais adequados para uma futura construção do manipulador, procedeu-se ao
levantamento do modelo cinemático, do espaço de trabalho e do comportamento em
termos de velocidades.