Robótica

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“Robótica” Apresenta-se uma introdução aos robôs industriais, destacando suas principais características e aplicações mais importantes, bem como estatísticas e projeções sobre seu uso atual e no futuro. Introdução O termo robô (do tcheco robota-escravo) foi utilizado pela primeira vez em 1923, na peça de Teatro R.U.R. ('Rossum`s Universal - Robots") do tcheco Karel Capek, e popularizou-se rapidamente entre os escritos de ficção científica, sendo empregado para designar seres mecânicos antropomórficos. Este conceito foi entendido (ou talvez fosse melhor, reduzido) para uma ampla gama de equipamentos industriais. Não existe concordância sobre que tipos de equipamentos devem ser chamados de robôs, o que causa grande dificuldade para a composição e a análise de estatísticas sobre o seu uso. É indiscutível entretanto, que o mais sofisticado robô industrial é incomparavelmente mais simples que os robôs das estórias de ficção científica. Apesar dos diferentes conceitos existentes, é necessário distinguir as diversas categorias de equipamentos que recebem o nome de robô, para deixar clara a nomenclatura adotada em cada caso. A Japan Industrial Robots Industry Association (JIRA) distingue as seguintes categorias: 1 - Manipulador Manual - é um manipulador que é controlado por um operador; 2 - Robô de seqüência fixa - é um manipulador que repete as etapas sucessivas de uma certa operação, de acordo com uma seqüência predeterminada, eventualmente dependente de alguma condição, pois o programa não pode ser alterado com facilidade. 3 - Robô de seqüência variável - é um manipulador que repete as etapas sucessivas de uma certa operação, de acordo com uma seqüência predeterminada, eventualmente dependente de algumas condições. O programa pode ser alterado com facilidade. 4 - Robô repetidor - um manipulador que reproduz, a partir de sua memória, uma seqüência de operações originalmente executadas sob controle de um operador, isto é, um operador humano opera inicialmente o robô, armazenando em sua memória todas as informações relevantes à sua operação (seqüência, posições, condições). Quando instruído para tal, o robô repete as operações armazenadas em sua memória. 5 - Robô de controle numérico - um manipulador capaz de realizar uma certa operação, em termos de seqüência, posição e condições externas, comando por dados numéricos. 6 - Robô inteligente - é um robô dotado de sensores (visuais e/ou táteis), com capacidade para detectar alterações em si mesmo ou no ambiente e alterar correspondentemente seu comportamento, de modo a poder continuar a realizar sua função. Por outro lado, a Robot Industry Association (RIA), nos Estados Unidos, define um robô como "um manipulador reprogramável multifuncional projetado para mover materiais, partes, ferramentas ou dispositivos especiais através de movimentos programados para a execução de uma diversidade de tarefas". Como o conceito "facilmente" não é bem definido, existe certa dúvida sobre a inclusão ou não da categoria 3 (constituída de manipuladores programáveis mecanicamente) como robô e para evitar essa confusão, chamaremos as categorias 4, 5 e 6 de robôs sofisticados; é a esta categoria que se associa usualmente o termo robô. Os robôs da categoria 3 são usualmente chamados nos Estados Unidos de robôs "pick and place"; os da categoria 4 de "programmable robot". A categoria 5 é freqüentemente também "computerized robot", embora seja freqüentemente também "programmable robot", a categoria 6, de "sensory robot". Assim, ao utilizar a palavra robô, existem pelo menos 3 sentidos que podem ser atribuídos à palavra: 1 - Robô pela definição japonesa, envolvendo as classes de 1 a 6. 2 - Robô pela definição americana, envolvendo as classes de 3 a 6. 3 - Robôs servo-controlados, também chamados de sofisticados, envolvendo as classes de 4 a 6. Este quadro é ainda complicado pelo fato dos países europeus adotarem definições que diferem entre si e dos apresentados acima. I - Tipos de Robôs e suas Características As classes de 1 a 3: correspondem aos robôs menos sofisticados, embora nem por isso menos importantes, como exemplo, representarem, em 1983, 22,7% do faturamento e 53,4% do número de unidades produzidas no Japão. É importante ressaltar que esse percentual vem decrescendo. Em 1980, esses valores eram de 45,4% do faturamento e de 84,1% do total de unidades produzidas no Japão. Esta tendência é devida não a um declínio das quantidades produzidas, mas pelo aumento do número de unidades das categorias 4 a 6, que cresceram perto de 350% no período. As características dos robôs destas classes são as seguintes: - Classe 1 - Manipuladores Manuais: são dispositivos controlados por um operador quer visando preservá-lo de um ambiente hostil, como é o caso dos manipuladores utilizados para operações com produtos radioativos, já bastante antigos, quer ampliando sua força, para operações que envolvam grandes cargas. São geralmente dispositivos mecânicos ou hidráulicos, e suas funções sensoriais e de controle ficam conceituadas no operador humano. - Classe 2 - Robôs de seqüência fixa: são dispositivos planejados e construídos para automatizar uma operação científica . Podem eventualmente dispor de controle eletrônico e sensores sofisticados, o que os caracteriza é a especificidade de sua função, uma vez abandonada a produção do produto para o qual foram desenvolvidos, tem de ser sucateados. Portanto, a inclusão de um robô nesta categoria nada tem a ver com seu custo ou complexidade. - Classe 3 - Robôs de seqüência variável: os robôs desta categoria (os mais elementares para receber o nome de robô, pela conceituação americana) são dispositivos bastante simples, em geral de acionamento pneumático e para movimentação de pequenas cargas, seu movimento é controlado por limitadores ou por interruptores de fim de curso, que atuam sobre as válvulas que controlam a admissão de ar comprimido. Apesar de sua simplicidade, são de grande utilidade na indústria, constituindo, por exemplo, 37,6% da base instalada no Japão, em 1983. - As classes de 4 a 6: correspondem aos robôs sofisticados, dotados de controle em malha fechada (servo-controlados) . Embora muitos dispositivos possam ser enquadrados nesta categoria, restringimos a análise ao caso do robô industrial típico, que compreende os componentes apresentados a seguir. II - As principais características destes componentes são: Subsistema cinemático - é um mecanismo composto de partes estruturais, acionadores e elementos de transmissão, possuindo graus de liberdade suficientes para a execução das tarefas destinadas ao robô. Possui normalmente 5 ou 6 graus de liberdade, os 3 primeiros permitem o posicionamento da mão no espaço e a parte que a executa é comumente chamada de braço, os seguintes permitem sua orientação espacial. O subsistema cinemático pode ser subdividido segundo essas funções. Para o braço existe uma variedade de configurações já construídas, mas sempre sendo uma combinação das estruturas básicas associadas aos sistemas de coordenadas cartesiano, cilíndrico, polar e de revolução. Analogicamente, existe uma grande variedade de configurações para a implementação da mão. O subsistema cinemático inclui sensores de posição eletromagnéticos ou ópticos, associados a cada um dos grau de liberdade, destinados a gerar sinais que indiquem a posição atual de cada elemento do robô. Estes sinais são encaminhados ao controle, para que este tome as medidas corretivas necessárias . Não existe uma tendência definida para a utilização de uma ou outra geometria, e nenhuma apresentou vantagens ou desvantagens significativas em relação as demais, apenas em certos casos a aplicação específica indica uma geometria como preferencial. Ferramenta - é o dispositivo responsável pela execução do trabalho, assumindo as mais diversas formas dependendo diretamente da aplicação. Pode ser fixa ou trocável, incorporada ao robô ou desenvolvida especialmente para a aplicação. Fonte de energia - como o nome indica, fornece energia na forma adequada para os acionadores do robô. Os robôs destas classes são predominante de acionamento eletrônico, existem muitos de acionamento hidráulicos, mas esta forma de acionamento está sendo abandonada, e possivelmente só sobreviverá em alguns nichos de aplicações, como por exemplo em atmosferas sujeitas à explosão. Controlador e memória de tarefa - tem por finalidade controlar o funcionamento do robô e armazenar as tarefas que deve executar. Existe grande variedade de alternativas de execução, mas a tendência é utilizar um controlador lógico adaptados nos modelos mais simples, e um micro computador de certo porte (16 bits) nos modelos mais complexos. Este microcomputador pode realizar todas as funções de controle, ou ser o elemento principal de uma rede, com um microcomputador de menor porte controlando cada grau de liberdade. A tarefa é armazenada na memória desse microcomputador. Dispositivo de programação - é uma unidade de entrada e saída para permitir a programação do robô. No caso dos robôs de classe 5, é uma simples interface para receber o programa, produzindo externamente. Para as outras classes, existem duas formas principais: através de repetição, isto é, um operador humano realiza os movimentos necessários com a ferramenta presa ao robô, e este memoriza a sequência de movimentos, ou através de uma caixa de comando que permite mover o robô sob controle manual. Em qualquer dos casos, os movimentos ficam armazenados na memória de tarefa, prontos a serem repetidos. Dispositivos de sincronização - são dispositivos e funções que permitem a coordenação das ações do robô com máquinas e/ou eventos externos, de modo que possa ser informado a iniciar seu ciclo de movimento, ou acionar dispositivos externos que podendo iniciar sua atividade. Subsistema sensorial - existe apenas nos robôs de classe 6, é formado por sensores que permitem ao robô reconhecer mudanças de condições em seu ambiente de trabalho, variam desde um simples sensor de presença para determinar se a peça a manipular realmente está em sua posição até sensores de visão tridimensional, muito complexos. Esta é a área de maior atividade de pesquisa na robótica; e seu desenvolvimento é fundamental para que os robôs possam ser empregados em aplicações mais sofisticadas. III - Evolução e Perspectivas no Mercado Mundial de Robôs Todos os estudos sobre a população mundial de robôs encontram três dificuldades principais: a nebulosidade da definição e classificação de robôs, como visto na introdução, a ausência de fontes regulares e confiáveis de informações e a ausência de dados agregados em muitos casos. Assim, existe sempre uma certa divergência entre as diversas fontes que apresentam a mesma informação, e os números a seguir representam uma média ou a informação julgada mais confiável. IV - Principais Aplicações e sua Evolução As aplicações dos robôs se dividem em duas grandes categorias: aquelas em que o robô movimenta uma ferramenta e aquelas em que movimenta uma peça. Na primeira categoria as principais aplicações de pintura (ou outros tipos de revestimento), soldagem a arco, soldagem a ponto, e bem recentemente, montagem. Esta última aplicação é que deve tornar-se a mais importante nos próximos anos. Na segunda categoria temos a alimentação de máquinas em geral, destacando-se as máquinas ferramentas, prensas, forjas, etc. Outros dados agregados são de difícil obtenção, entretanto, o exame de alguns casos isolados disponíveis mostra uma certa tendência geral. Outro exemplo de perspectiva de evolução isolada, é a previsão de utilização de robôs industriais pela General Motors, em suas fábricas. A tendência geral é um crescimento moderado das aplicações já consagradas (pintura, soldagem), acompanhada de um crescimento significativo nas áreas de montagem e operações associadas. V - Aplicações de Robôs Industriais Articulados no Brasil Analisando as áreas de atividades da indústria brasileira e as situações econômicas das empresas que as representam, podemos dizer que solda à ponto; pintura; solda à arco; polimento; rebarbagem; etc., viabiliza a economia, podendo ter bastante aplicação devido aos altos custos anteriormente empregados.. Outra área de aplicação são as de alta repetividade e trabalho monótono, principalmente a solda à ponto; solda à arco; manipulação alta/repetitiva e alguns serviços de montagem. Considerando que a repetividade não é rígida e que a flexibilidade é dada ao sistema de robótica através da reprogramação que poderá ser feita pelo operador da máquina. Finalmente gostaríamos de alertar da necessidade da engenharia de aplicação necessária para uma bem sucedida aplicação. Esta engenharia devia não somente ser um serviço prestado pelo fabricante deste tipo de equipamento, como também ser de conhecimento do usuário que terá que fazer a operação, assistência e futuras reprogramações do robô industrial adquirido. VI - A Fábrica do (e com) Futuro A fábrica do futuro é integrada por computadores e automatizada de uma forma flexível. Ela se livrou da transmissão de informações escritas, dispõe de um processo de fabricação contínuo e é interconectada no que diz respeito ao fluxo de energia, de materiais e de informações. Ela poderá produzir uma grande variedade de produtos em lotes pequenos de seqüenciamento arbitrário, e isto será mais econômico do que é hoje. Os tempos preparatórios para a introdução de produtos novos ser]ao bastante diminuídos, não existirá praticamente nenhum armazenamento intermediário e o armazenamento final para a adaptação as necessidades variada do mercado torna-se-à quase supérfluo. Atividades manuais serão flexivelmente automatizadas e tarefas de planejamento e controle serão executadas pela interação homem-computador. A produção integrada pôr computadores representa o núcleo da inovação da produção. Ela vive de hardware, software, bancos de dados e sistemas de comunicação. Um programa variável de produção será otimizado continuamente pelo controle de produção, sob atuação direta de computadores. Com isso teremos um controle direto do fluxo de materiais e das operações nas máquinas, como também uma preparação dinâmica, coordenação e alocação de todos os meios de produção disponíveis. No futuro, o fluxo de informações começará pelo projeto Assistido pôr Computador pAC e será estreitamente interligado com o planejamento da folha de trabalho assistido pôr computador, com troca direta de informações. A tecnologia PAC possibilitará novos métodos de projeto, uma análise de FEM(Finele Element Method) ou BEM(Boundary Element Method) pode ser executada durante a noite; com os resultados prontos o desenhista pode efetuar melhorias no projeto na manhã seguinte, interativamente com o computador. Com a ajuda da simulação serão otimizados os •lay-outs• das fábricas ou sub-fábricas e o desenvolvimento de processos de produção antes de sua execução ou realização, respectivamente. Modelos de simulação permitirão pesquisas que não podem ser executadas em sistemas reais, seja pôr razão de custo ou de tempo. Já durante o projeto de uma peça, será possível fazer uso de um processador de planejamento da folha de trabalho para simular a produção desta peça e assim detectar processos de fabricação complexos ou custosos demais. A simulação (gráfica) do planejamento da folha de trabalho evoluirá a sistemas que conterão componentes de controle de produção e transmitirão programas para máquinas CNC que são equipadas com facilidades de programação na oficina. Desta forma, a máquina CNC executa um controle orientado pela produção e pode mudar o programa adaptando-o melhor às suas próprias condições. Assim se pode imaginar o fechamento da malha entre execução, preparação e projeto. Atingiremos um alto grau de integração com esta cadeia de PAC, programação CNC, execução DNC e produção e/ou correção de informações CNC na oficina. Este sistema deverá incluir também o manuseio e a montagem. Quanto ao manuseio será possível programar •off-line• seqüências de movimentos no espaço tridimensional assistido pôr simulação. O planejamento de processos de montagem e de sistemas automáticos de montagem está altamente conectado com isso e influenciará um •feedback• importante ao projeto amigável à montagem. Dados geométricos do produto são imprescindíveis para a obtenção de regras para o planejamento de testes. pontos de teste precisos podem ser definidos usando-se o modelo geométrico tridimensional. A atuação de robôs de teste pode ser planejada via simulação gráfica. Será exigido dos sistemas de fabricação do futuro a maior produtividade tecnológica possível, mantendo o mais alto nível de qualidade, com um processamento inteiramente automático, minimizando os tempos de preparação para a fabricação de partes em seqüenciamento e tamanho de lotes arbitrários. Além disso, sistemas flexíveis de manufatura devem apresentar características como robustez e alta taxa de •mean-time between failures•, devem ser amigáveis ao usuário e à manutenção e , afinal, devem possuir sistemas de auto-diagnose, que emitam sinais de alerta quando acontecem falhas no processamento ou na máquina ou até que procuram outros caminhos, para a execução de dada tarefa caso seja disponível uma certa redundância no sistema. Novos materiais, como materiais baseados em fibras (carbônicas, de vidro), serão tratados pôr processos também novos, como cortar com raio laser ou pôr jatos de plasma ou d’água, onde robôs industriais substituirão máquinas comuns, começando esta substituição quando se trata de superfícies complexas já num futuro próximo. Os sistemas de fabricação do futuro serão construídos modularmente e consistirão de elementos ou grupos de elementos com funções automatizadas flexivelmente que também incorporam as áreas de tecnologia de manuseio, de sensoreamento e de controle e de medição em processos. Robôs industriais móveis encadearão os vários sistemas de fabricação entre si com os armazéns automatizados e com as linhas de montagem robotizadas. Na fábrica do futuro serão executadas montagens, até hoje feitas manualmente, de uma forma automática pelo emprego de robôs industriais. Com o desenvolvimento deste robôs de montagem prevê-se um desenvolvimento para cadeias cinemáticas com mobilidade cada vez mais alta, alta flexibilidade para acoplamento de ferramentas variadíssimas e a repartição dos graus da liberdade do sistema de montagem entre robô e o sistema de suporte do conjunto a ser montado. Numa fase mais avançada ainda, o sistema de fabricação integrado pôr computadores fará uso de inteligência de máquinas, ele vai integrar máquinas ferramentas inteligentes, robôs industriais inteligentes, sistemas de montagem inteligentes, máquinas e robôs de teste inteligentes e meio de transporte inteligentes. Na informática fala-se de inteligência artificial, um campo de pesquisa e de ensino já incorporado em alguns cursos de engenharia no Japão e nos Estados Unidos. Se vemos inteligência, em geral, como a capacidade de adaptação do comportamento de uma entidade a um novo estado do ambiente, então podemos tentar definir inteligência de máquina como uma capacidade da máquina adaptar-se a alterações de parâmetros do processo pôr conhecimentos empíricos armazenados. Muitos sistemas de produção são tão complexos que os seus processos de produção não podem ser descritos analiticamente. Por isso a solução de uma certa tarefa de produção baseia-se em experiência que, pôr sua vez, baseia-se num conhecimento técnico amplo. Para o planejamento de processos de produção muitas vezes são consultados especialistas ou peritos. Em analogia a esses peritos humanos podem ser desenvolvidos na informática sistemas peritos que possuem, como células acumuladoras de conhecimento, a capacidade de tomar decisões e resolver problemas. Hoje já são usados sistemas peritos nas áreas de interpretação, da diagnose (de falhas), da demonstração automática de teoremas matemáticos e de supervisão. A sua arquitetura de software incorpora basicamente módulos interconectados, como o módulo de diálogo, de explicação, da aquisição de conhecimento e do solucionador de problemas. Sistemas peritos ajudarão na otimização de sistemas integrados de fabricação pôr computador devido à possibilidade de, para as diferentes áreas do sistema, poderem ser construídos sistemas peritos dedicados. Podemos imaginar que existirão sistemas peritos para o desenvolvimento, projeto, planejamento de produção, fabricação e montagem, mas também para o controle de qualidade e para o marketing. No futuro, sistemas peritos poderão ser usados como ampliadores de conhecimento, ajudando o homem na execução de suas tarefas e, numa última etapa, como executores próprios que, pela capacidade de aprendizagem de que disporão, chegarão a substituir o homem como comandante de máquinas. Não existem, teoricamente, limitações à inteligência de máquinas: ela pode ser relacionada a propriedades de materiais, a formas geométricas, ao tamanho e ao seqüenciamento de lotes, isso mencionando apenas alguns exemplos. Terminaremos o nosso vôo ao futuro da fábrica com uma última visão: com a penetração cada vez mais profunda de técnicas de informática na fábrica (do futuro) podemos imaginar até novas formas de estruturas de produção. Uma dessas estruturas que me parece mais atraente seria a seguinte: separa-se a fábrica atual em duas partes distintas. Num lado ficará a fábrica, integrada pôr computadores, altamente flexível e automatizada e, no outro, um grupo de empresas que são portadoras do conhecimento do produto e do mercado, sem fabricação própria. Essas duas formas de empresas podem ser interconectadas pôr uma instituição de mercado, digamos pôr uma bolsa de produção em analogia à bolsa de valores de hoje. Usando uma rede de informações, as empresas orientadas aos produtos oferecerão contratos de fabricação, especificados pelas exigências e especificações do produto. A oferta que otimizar custos, qualidade, prazos, etc.., ganhará a ordem de produção. Como no caso da bolsa de valores, deverão existir contratos e/ou leis que garantam uma posição neutra desta bolsa de produção. VII - O Futuro Imediato da Robótica ( Para os Próximos 5 Anos ) Todos os meios de produção sentirão a necessidade de se tornarem cada vez mais flexíveis e integrados por sistemas distribuídos por computadores. Descrição Funcional O sistema tem como entradas a descrição de tarefas a ser executadas pelo robô na forma de uma linguagem de programação (programa fonte) bem como a descrição do ambiente e do robô onde serão executadas estas tarefas. Em conseqüência destas entradas, são gerados arquivos de programas, servindo também como meio de documentação das tarefas e arquivos de modelos de robô e ambiente. O programa fonte é processado pêlos módulos de pré-processamento gerando um programa em linguagem intermediária em arquivo de forma padronizada. O simulador executa a simulação da tarefa baseado no programa intermediário e nos modelos (ambiente e robô) e os resultados são entregues ao sistema de representação gráfica através do qual pode-se analisar a consistência do programa (este simulador deverá ser provido de recurso de auxílio e depuração de programas). Após a depuração do programa, o programa em linguagem intermediária será adequado a um robô específico pôr meio do pósprocessador. Observa-se que o sistema é uma ferramenta flexível de programação e simulação uma vez que apenas alguns módulos são dependentes da linguagem (interpretador) e do robô (pós-processador). Composição do Sistema O sistema é composto pôr módulos e os componentes destes módulos são: - representação gráfica e interface homem-máquina; - modelador de ambiente e robô; - módulo de edição e geração de programas; - simulador; - banco de dados; - módulo de gerenciamento do sistema; - pós-processador a) Filosofia de Desenvolvimento Pela presença de um módulo de gerenciamento do sistema, cuja função é gerenciar os processos em execução, coordenando e concatenando a troca de informações entre os diversos módulos do sistema, serão providos os meios para o desenvolvimento de interfaces entre os módulos e a possibilidade de expansão do sistema. b) Representação Gráfica e Interface Homem - Máquina Visa prover os recursos de comunicação do usuário com o módulo de gerenciamento do sistema, bem como representar os resultados da simulação do programa de aplicação pôr meio de saída gráfica. c) Modelador de Ambiente e Robô Oferece os recursos que facilitem ao usuário, através da troca de informações desse módulo com o gerenciamento do sistema e a interface homem-máquina, a definição do ambiente de trabalho e do robô que agirá neste ambiente. d) Módulo de Edição e Geração de Programas Permite ao usuário, pela interface homem-máquina, editar programas e requisitar o pré-processamento requerido pela linguagem de programação usada para traduzir estes programas para uma forma padronizada. e) Simulador Sua função é simular a execução dos programas de aplicação de robô. Traduz as interações (definidas pelo programa de aplicação) entre a estrutura que representa o ambiente de trabalho e a estrutura do manipulador e pode trabalhar em conjunto com o depurador. f) Depurador Oferece ferramentas que facilitem a depuração de programas como pontos de parada, execução passo a passo, etc. g) Banco de Dados Trata-se do arquivo que contém os programas de aplicação e os modelos de robô e de ambiente definidos pelo usuário. h) Pós-Processador Sua função é realizar o processamento necessário que permita a adaptação de um programa desenvolvido no ambiente PAC a um tipo específico de robô. Parte do pós-processamento pode ser feito a nível de robô pelo pós-processador local associado ao controlador do robô. XIII - Especificação Técnica de Robô de Montagem O objetivo nesta etapa é converter todas as informações geradas nas etapas anteriores de maneira que possam ser usadas no desenvolvimento de um robô industrial. A especificação de um robô industrial de montagem deverá conter: - Número de eixos; - Tipo de movimento e velocidade de cada eixo; - Limite de movimento para cada eixo; - Descrição do volume de trabalho; - Precisão de posicionamento; - Repetibilidade, capacidade de carga, fonte de potência no acionamento, tipo de memória do sistema de controle; - Tamanho de memória do controlador e se a memória pode ser expandida; - Fonte de potência necessária; - Máxima temperatura de operação do sistema; - Tipos de interfaces para sensoreamento externo; - Método de ensinamento; - Condições de segurança; - Natureza do controle; - Periféricos exigidos; - Garras mecânicas; Bibliografia (1) Amaral, P.F.S., Campos, G.L., Pinto, B.G.M., "Robôs Industriais", tutorial apresentado ao l.º Congresso Nacional de Automação Industrial, São Paulo, 1983. (2) Editora Abril S/A - Setor DEDOC - SP (3) Revista Politécnica - Universidade de São Paulo. (4) C.B.I.- Canal Brasileiro da Informação. (5) Páginas da WWW - Internet: · http://www.edacom.com/ · http://www.mrsoft.com.br/techno/produto6.htm · http://www.graco.unb.br/robgraco.html Texto gentilmente cedido por Flávio Toledo ([email protected]) www.sti.com.br