Sr aula1 robos_industriais

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Introdução a Robôs Manipuladores

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Sr aula1 robos_industriais

  1. 1. Aula 1 Introdução Robôs Manipuladores Rio Grande, 11 de abril de 2014. Universidade Federal do Rio Grande FURG Centro de Ciências Computacionais C3 Engenharia de Automação Sistemas Robóticos
  2. 2. Introdução
  3. 3.  Robôs podem ser usados com muitos propósitos,incluindo aplicaçõesindustriais, entretenimento e outras aplicações específicas, como a exploração espacial e subaquática e em ambientes perigosos. Introdução
  4. 4.  Uso do robô industrial – década de 1960  Junto com sistemasCAD (Computer-AidedDesign) e CAM (Computer-Aided Manufacturing)  Número de robôs instalados por ano nas grandes regiões industrias Robôs Industriais
  5. 5.  Motivos:  Custo de robôs industriais vem declinando, enquanto que o da mão de obra têm aumentado  Os robôs têm se tornado mais eficientes, mais rápidos, mais precisos, mais flexíveis  Estão cada vez mais capaz de executarem tarefas perigosas ou impossíveis para trabalhadores humanos  Diversas tarefas têm se tornado candidatas à automação industriais Robôs Industriais
  6. 6. Robôs industriais  São máquinas projetadas para substituir o trabalho humano em situações de desgaste físico ou mental,  ou ainda situações perigosas e repetitivas no processo produtivo em indústrias  Se um dispositivo puder ser programado para realizar diversas aplicações, ele é, provavelmente um robô industrial Robôs Industriais
  7. 7.  Substituição de mão de obra geram problemas Sociais:  Trabalhadores ficam desempregados - não podem consumir  Uso de robôs para substituir trabalhadores humanos  Criar melhores produtos a custos mais baixos  Negociações entre os fabricantes de automóveis e o Sindicato dos Trabalhadores da Indústria Automotiva:  Quantos empregos humanos podem ser substituídos por robôs? E em que ritmo? Robôs Industriais
  8. 8.  Maioria dos robôs industriais são manipuladores robóticos  Primeiro semestre nos concentraremos em robôs manipuladores Robôs Industriais
  9. 9.  Estudar Manipuladores robóticos, envolve um conjunto de áreas  Mecânica -máquinas em situações estáticase dinâmicas  Descrições de movimentos  Teoria de Controle  Sensores e interfaces  Programação Robôs Industriais
  10. 10. Manipuladores
  11. 11.  Os manipuladores consistemem elos (considerados rígidos) e juntas que permitem o movimento de elos consecutivos.  As juntas normalmente são equipadas com sensores de posição que permitem obter a posição relativa dos elos adjacentes Manipuladores
  12. 12. Manipuladores
  13. 13.  Os manipuladores robóticos são compostos por membros conectados por juntas em uma cadeia cinemática aberta.  As juntas podem ser:  rotativas (permitem apenas rotação relativa entre dois membros)  prismáticas (permitem apenas translação linear relativa entre dois membros) Manipuladores
  14. 14. Juntas
  15. 15. Juntas
  16. 16. Juntas
  17. 17.  Formas de Representar as Juntas  Rotativa R  Prismática P Juntas
  18. 18. Vínculos
  19. 19. Garras e Ferramentas  Ferramentas
  20. 20. Garras
  21. 21. Garras
  22. 22. Sensores
  23. 23. Sensores
  24. 24.  As juntas robóticas são acionadas por atuadores:  Elétricos - elétricos são os mais utilizados industrialmente, principalmente pela disponibilidade de energia elétrica e pela facilidade de controle.  Hidráulicos - indicados quando grandes esforços são necessários; robôs de maior porte  Pneumáticos - só têm aplicação em operações de manipulação em que não são obrigatórias grandes precisões, devido à compressibilidade do ar. Acionamento
  25. 25. Acionamento
  26. 26. Cadeia Cinemática
  27. 27.  No caso de manipuladores robóticos geralmente as variáveis de configuração das juntas formam uma cadeia cinemática aberta  Na ponta livre da cadeia fica o efetuador (garra, maçarico de solda, ou outro dispositivo) Cadeia Cinemática
  28. 28. Sistemas de Referência
  29. 29.  O estado de objetos (elos, ferramentas, peças manipuladas) são descritos por uma posição e orientação  Atrelamos ao objeto, também, um sistema de coordenadas, ou sistema de referência (frame) Sistemas de Referência como representar matematicamente estas informações e como realizar transformações entre sistemas de referência
  30. 30. Graus de Liberdade
  31. 31.  Número de Graus de Liberdade de um Manipulador Robótico – é o número de variáveis de posição independentes que teriam de ser especificadas para se localizarem todas as peças do robô – normalmente o número de juntas é igual ao número de graus de liberdade Graus de Liberdade
  32. 32.  Cada junta interconecta dois membros l1 e l2  eixo de rotação ou de translação de uma junta é denotado como eixo da junta zi  Se a junta i interconectar os membros i e i+1, as variáveis das juntas são denotadas por θi, se a junta for rotativa, ou por di, se a junta for prismática  O número de juntas determina a quantidade de graus de liberdade do manipulador Graus de Liberdade
  33. 33.  O número de juntas determina a quantidade de graus de liberdade do manipulador.  Tipicamente, um manipulador industrial possui 6 graus de liberdade, 3 para posicionar o órgão terminal (garra, aparelho de soldagem, de pintura, etc.) e 3 para orientar o órgão terminal  Para especificar completamenteo objeto no espaço – precisamos da localização e orientação do objeto - 6 elementos de informação Graus de Liberdade
  34. 34. Graus de Liberdade
  35. 35.  Se um robô tem menos graus de liberdade, não podemos arbitrariamente especificar qualquer localização e orientação  Exemplo: considere um robô com 3 graus de liberdade, que só pode se mover ao longo dos eixos x, y e z  nenhuma orientação pode ser especificada  Exemplo: considere outro robô com 5 graus de liberdade, capaz de rodar em torno de três eixos, mas apenas se deslocar ao longo dos eixos x e y  Pode se especificar qualquer orientação, mas o posicionamento da peça só é possível ao longo dos eixos x e y Graus de Liberdade
  36. 36.  Comparação com o braço humano:  Quantos graus de liberdade tem o braço humano? Graus de Liberdade
  37. 37.  Comparação com o braço humano: o braço humano tem 7 GDL enquanto os robôs em geral possuem de 3 a 6 GLD  Um sistema com 7 graus de liberdade, não tem uma única solução para posicionamento e orientação de uma peça - existem várias maneiras Graus de Liberdade
  38. 38.  Para que o controlador saiba o que fazer, deve haver uma rotina adicional de decisão que lhe permita escolher apenas uma das infinitas soluções. (exemplo, uma rotina para escolher o caminho mais rápido ou o mais curto)  O computador tem de verificar todas as soluções para encontrar a resposta - o que pode tomar muito processamento  Logo, normalmente robôs com 7 graus de liberdade não são utilizados na na indústria. Graus de Liberdade
  39. 39.  Um problema semelhante surge quando um robô manipulador é montado sobre uma base móvel  O robô tem um grau de liberdade adicional  Nesse caso, embora aja muitos graus de liberdade, os graus de liberdade adicionais são conhecidos (posição da base)  O sistema pode ser resolvido Graus de Liberdade
  40. 40.  Pode-se ter, também, manipuladores com menor ou maior número de graus de liberdade, conforme a função a ser executada.  Quanto maior a quantidade de graus de liberdade, mais complicadas são a cinemática, a dinâmica e o controle do manipulador.  O volume espacial varrido pelo órgão terminal do manipulador é conhecido como volume de trabalho ou espaço de trabalho.  O volume de trabalho depende da configuração geométrica do manipulador e das restrições físicas das juntas (limites mecânicos). Graus de Liberdade
  41. 41.  Punho com três graus de liberdade Graus de Liberdade
  42. 42. Graus de Liberdade
  43. 43.  O atuador final do robô nunca é considerado como um dos graus de liberdade.  Todos os robôs têm capacidade adicional, que pode parecer ser semelhante a um grau de liberdade Ex: abrir e fechar garra  No entanto, nenhum dos movimentos no atuador final são contabilizados para os graus de liberdade do robô Graus de Liberdade
  44. 44. Espaço de Trabalho
  45. 45.  O volume espacial varrido pelo órgão terminal do manipulador é conhecido como volume de trabalho ou espaço de trabalho  O volume de trabalho depende da configuração geométrica do manipulador e das restrições físicas das juntas (limites mecânicos) Espaço de Trabalho
  46. 46.  O espaço de trabalho pode ser encontrado matematicamenteescrevendo equações que definem as ligações e articulações do robô  Como alternativa, o espaço de trabalho pode ser encontrado empiricamente por mover virtualmente cada articulação por meio da sua gama de movimentos, combinando todo o espaço que pode alcançar, e subtraindo o que não pode alcançar Espaço de Trabalho
  47. 47.  Quando um robô é considerado para uma determinada aplicação, seu espaço de trabalho deve ser estudado para garantir que o robô seja capaz de alcançar os pontos desejados  Para a determinação exata do espaço de trabalho, consultar as folhas de dados dos fabricantes Espaço de Trabalho
  48. 48. Espaço de Trabalho
  49. 49. Configurações Geométricas
  50. 50.  Os robôs podem apresentar diferentes configurações geométricas, isto é, diferentes arranjos entre os membros e os tipos de juntas utilizadas  A maioria dos robôs industriais tem 6 ou menos graus de liberdade  No caso de um manipulador com seis graus de liberdade:  Os três primeiros graus (a contar da base) são usados para posicionar o órgão terminal no espaço 3D  Os três últimos servem para orientar o órgão terminal no espaço 3D Configurações Geométricas
  51. 51.  Com base nos três primeiros graus de liberdade, pode- se classificaros robôs industriais em cinco configurações geométricas:  Articulado (RRR)  Esférico (RRP)  SCARA (RRP)  Cilíndrico (RPP)  Cartesiano (PPP)  R significa junta rotativa e P significa junta prismática Configurações Geométricas
  52. 52. Configurações Geométricas Classificação de Robôs
  53. 53.  Robô Articulado (RRR) - também denominado antropomórfico 1. Robô Articulado (RRR)
  54. 54.  Robô Articulado (RRR) - Liberdade de movimento grande e Volume de trabalho compacto – mais versátil dos robôs industriais 1. Robô Articulado (RRR)
  55. 55.  Robô esférico (RRP) - Substitui a junta rotativa do cotovolo do robô articulado por uma junta prismática 2. Robô Esférico (RRP)
  56. 56.  Robô esférico(RRP) - as coordenadas que definem a posição do órgão terminal são esféricas (θ1, θ2, d3) 2. Robô Esférico (RRP)
  57. 57.  Coordenadas Esféricas 2. Robô Esférico (RRP)
  58. 58.  Robô SCARA (RRP) - Selective Compliant Articulated Robot for Assembly – configuração recente que rapidamente se tornou popular - adequada para montagens  Tem três eixos – todos verticais e paralelos z0, z1 e z2 3. Robô SCARA (RRP)
  59. 59.  Robô SCARA (RRP) 3. Robô SCARA (RRP)
  60. 60.  Robô SCARA (RRP) 3. Robô SCARA (RRP)
  61. 61.  Robô SCARA (RRP) 3. Robô SCARA (RRP)
  62. 62.  Robô SCARA (RRP) 3. Robô SCARA (RRP)
  63. 63.  Robô Cilíndrico (RPP) - A primeira junta é rotativa enquanto a segunda e terceira juntas são prismáticas  As variáveis das juntas são coordenadas cilíndricas (θ1, d2, d3) 4. Robô Cilíndrico (RPP)
  64. 64.  Robô Cilíndrico (RPP) 4. Robô Cilíndrico (RPP)
  65. 65.  Robô Cartesiano (PPP) – as três primeiras juntas são prismáticas. É o manipulador de configuração mais simples, sendo muito empregado para armazenamento de peças 5. Robô Cartesiano (PPP)
  66. 66.  Robô Cartesiano (PPP) 5. Robô Cartesiano (PPP)
  67. 67.  Robô Cartesiano (PPP) 5. Robô Cartesiano (PPP)
  68. 68.  Robô Cartesiano (PPP) 5. Robô Cartesiano (PPP)
  69. 69.  Robô Cartesiano (PPP) 5. Robô Cartesiano (PPP)
  70. 70. Punho
  71. 71.  Punho de um manipulador - conjunto de juntas que são colocadas entre o antebraço e o órgão terminal, de modo a prover este último com uma dada orientação.  Em geral, os punhos robóticos são dotados de 2 ou 3 juntas rotativas.  A maioria dos robôs são projetados com punho esférico, isto é, punhos cujos eixos das juntas (todas rotativas) interceptam-se em um mesmo ponto. Punho
  72. 72.  Um punho esférico com três graus de liberdade Punho
  73. 73.  O Punho esférico simplifica bastantea cinemática de orientação  Os movimentos de rotação do punho esférico são denominados, respectivamente:  Guiagem (Yaw),  Arfagem (Pitch)  Rolamento (Roll) Punho
  74. 74.  É comum encontrar-se manipuladores industriais com 2 ou três graus de liberdade no punho - o robô, no total, tenha 5 ou 6 graus de liberdade.  Exemplos de Robôs  Um robô denotado como RRR-RRR é um robô articulado com um punho esférico com 3 juntas rotativas RPY (de Roll, Pitch e Yaw), com um total de 6 graus de liberdade.  Um robô RPP-RR é um robô cilíndrico com um punho com 2 juntas rotativas RP (de Roll e Pitch), com um total de 5 graus de liberdade. Punho
  75. 75.  A garra é o órgão terminal mais comum, possui um movimento de abre e fecha  Tal grau de liberdade não é computado quando se especifica a quantidade total de graus de liberdade do robô. Órgão Terminal
  76. 76. Características dos Robôs
  77. 77.  Precisão de um manipulador - é uma medida de quão próximo o órgão terminal pode atingir um determinado ponto programado, dentro do volume de trabalho.  Repetibilidade - diz respeito à capacidade do manipulador retornar várias vezes ao ponto programado, ou seja, é uma medida da distribuição desses vários posicionamentos em torno do dito ponto. Precisão e Repetibilidade
  78. 78.  A precisão e a repetibilidade são afetadas por erros de:  computação,  imprecisões mecânicas de fabricação,  efeitos de flexibilidade das peças sob cargas gravitacionais e de inércia (sobretudo em altas velocidades),  folgas de engrenagens, etc. Por este motivo, têm sido os manipuladores  Tem sido dada grande ênfase, para o projeto do controlador Precisão e Repetibilidade
  79. 79.  Carga útil: é o peso que um robô pode carregar e ainda permanecer dentro de suas especificações.  a capacidade de carga máxima de um robô pode ser muito maior que a sua carga útil  Alcance: é a distância máxima que um robô pode alcançar dentro do seu envelope de trabalho.  muitos pontos dentro do envelope de trabalho do robô podem ser alcançados com qualquer orientação desejada (destro).  No entanto, para outros pontos próximos ao limite da capacidade de alcance do robô, a orientação não pode ser especificada, como desejado (ponto não destro).  O alcance é uma função das articulações e comprimentos do robô e de sua configuração. Carga Útil e Alcance
  80. 80. Problemas Tratados na Robótica
  81. 81.  Problema Tratado na Robótica:  O que deve ser feito para programar um robô com o objetivo de executar uma determinada tarefa?  Exemplo: Considere o robô de 6GDL, portando um rebolo para uma operação de retífica plana Problemas Tratados na Robótica
  82. 82. Problemas Tratados na Robótica  1) rotação do tronco  2) rotação do ombro  3) rotação do cotovelo  4) rotação do punho (“pitch” = arfagem)  5) rotação do punho (“yaw” = guiagem)  6) rotação do punho (“roll” = rolamento) 6 GDL:
  83. 83.  Exemplo: Considere o robô de 2GDL, portando um rebolo para uma operação de retífica plana  Suponha-se que se queira mover o manipulador de sua posição de espera A para a posição B, a partir da qual o robô deverá seguir o contorno S até a posição C, com velocidade constante e mantendo uma força F, normal à superfície. Problemas Tratados na Robótica
  84. 84.  Os seguintes problemas deveriam ser resolvidos:  Cinemática Direta  Cinemática Inversa  Cinemáticada Velocidade  Dinâmica  Controle de Posição  Controle da Força de Retífica Problemas Tratados na Robótica
  85. 85. Configurações Geométricas Cinemática Direta
  86. 86.  Primeiramente, deve-se descrever as posições da ferramenta (rebolo), dos pontos A e B e da superfície S, em relação a um mesmo sistema de coordenadas inercial  O robô deve estar apto a “sentir” sua posição em cada instante, por meio de sensores (codificadores óticos, potenciômetros, etc.) localizados nas juntas os quais podem medir os ângulos Cinemática Direta
  87. 87.  Exemplo Cinemática Direta  É necessário expressar as posições da ferramenta em termos desses ângulos, isto é, expressar x e y em função de θ1 e θ2  Problema da Cinemática Direta - dadas as coordenadas das juntas θ1 e θ2, determinar x e y (as coordenadas do órgão terminal).
  88. 88. Cinemática Direta
  89. 89. Configurações Geométricas Cinemática Inversa
  90. 90.  Cinemática direta - determina as coordenadas x e y do TCP, assim como sua orientação, uma vez conhecidas as coordenadas das juntas θ1 e θ2  Entretanto,para comandar o robô, é necessário o inverso: dadas x e y, que ângulos θ1 e θ2 devem ser adotados pelas juntas, de modo a posicionar o TCP na posição (x, y)? Esse é o chamado problema da cinemática inversa.  Tendo em vista que as eq. de cinemática direta são não- lineares, a solução pode não ser simples. Cinemática Inversa
  91. 91.  Pode não haver solução (posição (x,y) fora do volume de trabalho), como pode também não haver uma solução única para o problema  Exemplo, existem as chamadas configurações cotovelo acima e cotovelo abaixo: Cinemática Inversa
  92. 92. Configurações Geométricas Cinemática da Velocidade
  93. 93.  Para seguir o contorno S com uma velocidade especificada, é preciso conhecer a relação entre a velocidade do TCP e as velocidades das juntas.  Isso pode ser obtido derivando as eqs da cinemática direta: Cinemática da Velocidade Para determinar as velocidades das juntas a partir das velocidades do TCP, usa-se a operação inversa,obtendo-se a cinemática inversade velocidade
  94. 94. Configurações Geométricas Dinâmica
  95. 95.  Para controlar a posição do manipulador é preciso conhecer as suas propriedades dinâmicas de modo a saber a quantidade de força (ou torque) que deve ser aplicada às juntas para que ele se mova.  Pouca força fará com que o manipulador reaja vagarosamente  Força demais pode fazer com que o manipulador esbarre em objetos ou vibre em torno da posição desejada Dinâmica
  96. 96.  A dedução das equações dinâmicas de movimento não é uma tarefa fácil, devido à grande quantidade de graus de liberdade e também às não-linearidades presentes.  São usadas técnicas baseadas na Dinâmica Lagrangiana ou na Dinâmica Newtoniana, para a dedução sistemáticade tais equações  Além da dinâmica das peças (membros) que compõem o manipulador, a descrição completa deve envolver a dinâmica dos atuadores e da transmissão Dinâmica
  97. 97. Configurações Geométricas Controle da Posição
  98. 98.  O problema do controle da posição consiste em determinar as excitações necessárias a serem dadas aos atuadores das juntas para que o Órgão Terminal siga uma determinada trajetória e simultaneamente, rejeitar distúrbios originários de efeitos dinâmicos não modelados, tais como atrito e ruídos. Controle da Posição
  99. 99.  O enfoque padrão utiliza estratégias de controle baseadas no domínio da freqüência  Outras estratégias, como o controle não-linear, são também utilizadas no controle de posição do manipulador. Controle da Posição
  100. 100. Configurações Geométricas Controle da Força de Retífica
  101. 101.  Uma vez alcançada a posição B, o manipulador deve seguir o contorno S, mantendo uma certa força normal constantecontra a superfície  O valor dessa força não pode ser muito pequeno, de modo a tornar a operação de retífica ineficiente, nem muito grande, pois poderia danificar tanto a obra como a ferramenta  Então, deve-se exercer um controle preciso sobre a força Cinemática da Força Retífica
  102. 102. Exercícios

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