Robotica

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Robótica Prof. Reinaldo Bianchi Centro Universitário da FEI 2005 2a Aula Parte A + Parte B 1 Objetivos desta aula Apresentar: – – – – – – – – Revisão breve. Automação X robótica. Características principais dos manipuladores. Componentes principais e a sua anatomia. Graus de Liberdade. Classificação dos manipuladores. Gerações de robôs. Critérios de compra. Capítulos 2 e 3 do Keramas. Automação x Robótica 2 Automação e Robôs Automação e Robótica são duas tecnologias próximas: – Automação é a tecnologia que se preocupa com o uso de sistemas mecânicos / elétricos / computacionais para controlar um processo de produção. 3 tipos de automação: – Fixa – Programável – Flexível. Automação Fixa É usada quando o volume de produção é muito alto. Utiliza equipamentos projetados para produção de produtos com alta velocidade e baixo custo. Custo total é dividido pelo grande número de unidades produzidas. Exemplo: – Blocos de motores, vidro 3 Automação Fixa (II) Risco: Alto investimento. – Se não ocorrer a demanda prevista, custo unitário aumenta. Problemas: – Ao final do ciclo de vida do produto, o equipamento se torna obsoleto. – Não é economicamente viável para produtos com ciclo de vida curtos. Automação Programável É usada quando: – o volume de produção é relativamente pequeno. – têm-se a necessidade de diversos produtos. Utiliza equipamentos programados para produção de produtos em lotes. Custo total é dividido pelo grande número de unidades produzidas. Adaptabilidade! 4 Automação Flexível É usada quando o volume de produção é mediano. Utiliza uma série de estações de trabalho conectadas por equipamentos de manipulação de materiais. Um computador central roteia e controla a produção de diferentes produtos. – Possibilita a produção de diferentes produtos ao mesmo tempo. Automação Flexível (2) Possui características da automação: – Fixa e – Programável. Também chamada de – Flexible Manufacturing Systems (FMS) – Computer Integrated Manufacturing (CIM) Versabilidade! 5 Características de um manipulador Características Básicas Algumas características básicas que permitem definir um manipulador. Algumas são tradicionais e outras usadas na norma ISO. 6 Envelope de Trabalho Definição: – Uma região no espaço tri-dimensional que a mão ou a ferramenta de trabalho que o manipulador possui consegue alcançar. Depende do projeto mecânico do robô. Termo usado hoje para a área de trabalho de um operário humano. Envelope de Trabalho (II) 7 Envelope de Trabalho Humanóide (NASA) Resolução Definição: – Resolução é a menor mudança de posição possível que o robô pode realizar ou que seu sistema de controle pode perceber. Característica determinada pelo projeto do robô e de seu controle. Dois tipos: – Resolução do programa – Resolução do controle. 8 Resolução (II) Resolução do programa: – É a menor mudança de posição permitida pelo programa de controle do robô. – Conhecida como Basic Resolution Unit (BRU). – Para um robô ABB IRB2000 é de 0,125 mm linear. Resolução (III) Resolução do controle: – É a menor mudança de posição que o dispositivo sensor consegue captar. – Para um encoder de 1000 pontos por rotação é de 0,36 graus. 9 Resolução (IV) A melhor performance é obtida quando a resolução de programa é igual a resolução de controle. Neste caso pode-se usar apenas o termo resolução do sistema. Acurácia Definição: – A habilidade do robô posicionar o atuador em uma posição do espaço. Depende do tipo do robô e da precisão no controle de cada movimento de juntas. Pode ser descrita como metade da resolução de controle, considerando o pior caso: – O alvo se encontra entre dois pontos de controle. Pode ser definida estatisticamente. 10 Acurácia Repetibilidade Definição: – A habilidade do robô retornar consistentemente a uma posição previamente alcançada. É uma medida estatística, associada a acurácia. Se a posição desejada não é atingida, mas sempre o mesmo erro acontece, então a acurácia é ruim mas a repetibilidade é boa. 11 Repetibilidade Repitibilidade descreve o erro do robô, mas não em posições absolutas. É muito usada pelos fabricantes: – A acurácia depende da carga: • Cargas maiores causam deflexões maiores, que degradam a acurácia. – A repetibilidade não depende da carga. Resolução, acurácia e repetibilidade. 12 Erros que afetam o robô Carga e tamanho Carga (Payload): – É o peso máximo que o robô é projetado para operar repetidamente com a mesma acurácia. Tamanho: – tamanho total do robô 13 Velocidade, aceleração e ciclo: Velocidade: – Velocidade máxima que a ponta do robô consegue se mover quando totalmente estendido. Aceleração. Ciclo: – O tempo que um robô leva para pegar um objeto em um certa posição e colocar em outra, retornando ao ponto de partida. Flexibilidade estática (Compliance) Definição: – Deslocamento do atuador em resposta a uma força ou torque exercido sobre o mesmo. Uma alta deformação significa que o pulso é movimentado bastante com o uso de uma força pequena. É importante por que pode reduzir a precisão do robô, quando ele estiver pressionando a ferramenta contra uma peça a ser trabalhada. 14 Overshoot Definição: – A máxima distância em respeito ao ponto desejado, durante a estabilização. Quantifica a capacidade do robô para parar de forma suave e precisa e um ponto. ISO 9283 - 1998 Manipulating robots - Performance criteria and related test methods ISO 9283 (ISO / TC 184 / SC 2 / WG 2): – É a definição usada atualmente pela indústria. – Visa facilitar o entendimento entre usuários e fabricantes de robôs e sistemas robóticos. – Define as principais características de funcionamento. – Descreve como devem ser especificados. – Recomenda como realizar 14 testes para verificar se o robô obedece a especificação. 15 ISO 9283 São realizados 14 testes: 1. Precisão de posicionamento e repetibilidade de posicionamento 2. Variação de precisão de posicionamento multidirecional. 3. Precisão e repetibilidade de distância 4. Tempo de estabilização de posição 5. Overshoot 6. Características de deriva de posicionamento 7. Intercambiabilidade ISO 9283 8. 9. 10. 11. Precisão e repetibilidade de trajetória. Precisão da trajetória em reorientação. Desvios de esquina. Características da velocidade da trajetória: • • • Precisção da velocidade. Repetibilidade da velocidade. Flutuação na velocidade. 12. Tempo mínimo de posicionamento 13. Flexibilidade estática 14. Desvios nas trajetórias onduladas. 16 Componentes básicos Componentes básicos de um manipulador 4 componentes básicos: – Manipulador – Atuador – Controle – Power supply. 17 Manipulador É a unidade mecânica que tem movimentos similares a de um braço humano. Duas categorias de movimentos: – Do braço. – Do punho: • Pitch (pra cima e pra baixo) • Yaw (para os lados) • Roll (rotação 18 Manipulador Cotovelo Ombro Punho Tool mounting plate Manipulador 19 Sistemas de Coordenadas Sistema de coordenadas do mundo Sistema de coordenadas de juntas Sistema de coordenadas do ponto de montagem Origem do sistema: Centro do Atuador. Problema: – Transformações entre os sistemas de coordenadas. Coordenadas do mundo 20 Coordenadas de Juntas e Garra Origem do sistema da garra 21 Graus de Liberdade (DOF) Os graus de liberdade determinam flexibilidade de movimentação e/ou observação de algo. Objetos possuem 6 diferentes direções, nas quais podem se mover no espaço: – Translações: • para frente ou para trás (eixo X) • para cima ou para baixo (eixo Y) • ou para esquerda ou direita (eixo Z) – Rotações • Roll (rotação ao redor de X) • Yaw (ao redor de Y) e • Pitch (ao redor de Z) Graus de Liberdade (DOF) Degrees of Freedom - Definição: – Cada eixo (ou articulação) existente no manipulador cria um grau de liberdade. Associados aos movimentos das juntas do manipulador. Manipuladores industriais tem de 4 a 6 DOF, tipicamente. 22 Manipulador PUMA com 6 DOF Atuadores Também chamados de: – End Effector – End of Arm Tool (EOAT) Peça anexada no ponto de montagem: – Garras – Ferramentas: • Solda, pintura, … Tool Center Point (TCP): o ponto de ação do atuador anexado ao robô, nas coordenadas do mundo. 23 Atuadores - DOF Atuadores - TCP 24 Tipos de ferramentas “Mãos” robóticas Quanto o maior número de graus de liberdades, maior a versatilidade, destreza e habilidade do atuador. Atuadores que possuam 3 ou mais dedos: – 3 dedos: Tri-dactilos – 5 ou 6 dedos: Mão robótica. – Mãos destras: copias das humanas. Geralmente são sub-atuados: – Menos motores que graus de liberdade. 25 Mão Humana - 22 DOFs Dedos Sub-atuados Como os dedos humanos, com tendões 26 12 DOF Subatuado 12 DOF, 4 por dedo 2 motores por dedo. Video: mars.mpg 10 DOF Subatuado 10 DOF, 4 por dedo 2 motores por dedo. Videos: SARAHxx.mpg 27 UTAH-MIT Dextrous Hand A mão destra mais famosa. 3 ou 4 dedos + 1 polegar opositor. UTAH-MIT Dextrous Hand Versão atual, no Robonauta (NASA) Vídeos 28 Mão Destra Shadow Robotics company, UK. www.shadow. org.uk Pneumática. 90,000 Euros 29 Power Supply Existem 3 tipos principais de fontes de energia para os robôs: – Elétrica – Pneumática – Hidráulica. Existem relações com: – Carga – Custo – Espaço necessário Pneumático 30 Hidráulico Músculo pneumático Shadow corporation de novo. Ao encher de ar o músculo se contrai. 31 Controle Definição: – É um dispositivo de processamento de informações que inicializa, termina e coordena os movimentos e as seqüências de operações do manipulador. Implementado em computadores ou microprocessadores. Controle (II) O controle também deve se comunicar com as seguines elementos do robô: – Sensores • De posição • Torque/força • Produção – Maquinário – Teaching Boxes – Outros computadores 32 Tipos de controladores Existem 3 tipos principais de controladores: – Não servo – Servo – Servo com controle de caminho. Complexidade Controle não servo É o controle malha aberta. – Não possui sensores nem retroalimentação O mais simples e barato de se implementar. Robôs de seqüência limitada. Usado em: – Pick and Place – Pontos fixos. – Bang-bang robots. 33 Controle servo. Controle malha fechada: – Possui sensores nas juntas e no atuador. Mais sofisticado e caro. O controle depende da saída do sistema. Possui capacidades de correção: – Consegue atingir qualquer ponto em seu envelope de trabalho. Controle Servo 34 Servo com controle São robôs guiados por um controlador que memoriza seqüências de posições de juntas e atuador. Geralmente armazena milhares de pontos de trajetória, com: – posição, – velocidade e – aceleração. Vantagens dos servo-controlados Maior acurácia Maior velocidade Maior torque Controle flexível Capaz de realizar tarefas de manufatura complexas. Multiplos programas. 35 Desvantagens Custo inicial Programação sofisticada, exigindo pessoal especializado. Custo em treinamento do usuário. Manutenção. Configurações de Robôs Manipuladores 36 Configurações de manipuladores Robôs industriais estão disponíveis nos mais variados formatos, tamanhos, capacidades… A maioria dos robôs manipuladores disponíveis hoje foi construindo seguindo uma das seguintes configurações: – – – – – – Retangular (ou cartesiano) Gantry Cilíndrico (ou Post-type) Esférico (ou Polar) Articulado (ou com juntas) SCARA 37 Manipuladores Retangulares Movimento por meio de coordenadas cartesianas: – Eixo x – Eixo y – Eixo z. As juntas prismáticas estão geralmente a 90 graus. Envelope de Trabalho Retangular 38 Robôs tipo Gantry Similares aos cartesianos, mas funcionando com base em suportes paralelos na lateral. Robô Gantry 39 Envelope de trab a alho Gantry r Retangulares: Vantagens e Desvantagens Vantagens: – Facilidade de visualização – Facilidade de programação. – Estrutura rígida. – Grande área de trabalho em mesas. Desvantagens: – Só pode alcançar na sua frente. – Baixa relação envelope de trabalho para área ocupada. 40 Manipuladores Cilíndricos Movimento por meio de coordenadas cilíndricas: – Altura – Rotação – Extensão do braço Envelope de Trabalho Cilíndrico 41 Envelope de Trabalho Cilíndrico Cilíndricos: Vantagens e Desvantagens Vantagens: – Consegue alcançar todo seu entorno. – Eixos rígidos – Eixos de rotação de fácil construção. Desvantagens: – Não consegue alcançar o ponto imediatamente acima do manipulador. – Não consegue ultrapassar obstáculos. – Movimentos na horizontal são circulares. 42 Manipuladores Esféricos Movimento por meio de coordenadas polares: – Rotação – Tilt – Extensão do braço. Unimation era polar. Manipuladores esféricos 43 Envelope de Trabalho Esférico Envelope de Trabalho Esférico 44 Esfericos: Vantagens e Desvantagens Vantagens: – Grande alcance na horizontal. Desvantagens: – Não consegue ultrapassar um obstáculo. – Geralmente possuem pequeno alcance vertical. Manipuladores Articulados Manipulador com diversas juntas rotativas verticais, com eixos na horizontal. Funciona como uma escavadeira. Possui geralmente 3 juntas rotatórias que permite atingir qualquer posição. Alta velocidade. PUMA é articulado. 45 Manipuladores Articulados Envelope de Trabalho Articulado 46 Envelope de Trabalho Articulado Articulado: Vantagens e Desvantagens Vantagens: – Pode alcançar sobre ou sob obstáculos. – A maior área de trabalho, com o menor área de alcance na mesa. Desvantagens: – De duas a quatro maneiras de alcançar um ponto. – É o manipulador mais complexo de todos. 47 Manipulador SCARA Manipulador não tradicional, que possui juntas rotativas com eixos na vertical (juntas na horizontal). Criado para manipular objetos pequenos com precisão. Manipulador SCARA 48 Envelope de Trabalho SCARA Envelope de Trabalho SCARA 49 SCARA: Vantagens e Desvantagens Vantagens: – Grande área de trabalho em mesas. – Pode alcançar atrás de obstáculos. Desvantagens: – Duas maneiras de alcançar um ponto. – Dificuldade de programação – Complexidade grande do manipulador Manipulador Paralelo Outra categoria de robôs Geralmente não são considerados manipuladores, por não ter a forma de um braço. 50 Manipulador Paralelo Manipulador Paralelo Videos manip3ddl.mpg 51 Manipulador Paralelo Gerações dos robôs industriais. Existem 5 gerações de robôs: – Primeira: Robôs repetidores, geralmente pneumáticos, executando tarefas de pick and place. – Segunda: Primeiras capacidades de programação hardwired. – Terceira: PLCs controlam tarefas, facilidade de reprogramação. 52 Gerações dos robôs industriais. Existem 5 gerações de robôs: – Quarta: Microcomputador permitiu o controle de sistemas complexos, incluindon células de montagem. – Quinta: Robôs com Inteligência Artificial, sensores miniaturizados e capacidades de decisão. Gerações dos robôs industriais. 53 Critérios de Compra Técnicos Tipo: – Servo – Não Servo Envelope de Trabalho: – – – – – Retangular Cilíndrico Esférico Junta SCARA Critérios de Compra Técnicos Capacidade de carga. Fonte de energia: – Elétrico. – Pneumático. – Hidráulico. Tecnologia agregada / Geração. Capacidades especiais. 54 Critérios de Compra Não técnicos Custo x benefício Quão comum é o robô Treinamento e manutenção Confiabilidade Assistência Técnica Amigabilidade Segurança. Conclusão Manipuladores provém movimentos similares ao de um braço humano. Atuadores são quem realmente realizam a maioria dos trabalhos, com o manipulador os posicionando no lugar certo. O controle é o cérebro do robô. 55 Fim Links da aula http://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iv/otm _iv_4.html www.eh.doe.gov/ docs/osh_tr/ch1a.html http://prime.jsc.nasa.gov/ROV/types.html http://www.fortunecity.com/campus/law/365/d efinitions.htm http://wwwrobot.gmc.ulaval.ca/recherche/rech erche_a.html http://robonaut.jsc.nasa.gov/robonaut.html 56