O documento apresenta uma introdução à robótica, abordando conceitos fundamentais de robôs manipuladores, sua estrutura, evolução histórica e aplicações em automação industrial. Descreve também os componentes do hardware, métodos de programação e controle, assim como a dinâmica e cinemática relevantes para o funcionamento dos robôs. Além disso, discute a importância de sensores, atuadores e algoritmos de controle no desempenho dessas máquinas.

1. INTRODUÇÃO À ROBÓTICA
Pablo Javier Alsina
Departamento de Engenharia de
Computação e Automação
DCA/CT/UFRN
pablo@dca.ufrn.br

2. ROBÓTICA: CONCEITOS BÁSICOS
• Robô: Máquina programável de propósito geral que tem existência no
mundo físico e atua nele através de movimentos mecânicos.
• Espaço de Trabalho: Região do mundo que o robô pode alcançar através
dos seus movimentos, onde pode levar a cabo as tarefas programadas.

3. Exemplo de Robô em seu Espaço de Trabalho
Espaço de Trabalho
-10o
 1 
90o
0o
 2 
180o
1
2

4. Robô Manipulador Industrial:
 Robotic Industries Association (RIA): “manipulador
multifuncional reprogramável, projetado para
movimentar materiais, partes, ferramentas ou peças
especiais, através de diversos movimentos programados,
para o desempenho de uma variedade de tarefas”.
 Norma ISO 10218: “máquina manipuladora, com vários
graus de liberdade, controlada automaticamente,
reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou
móvel, para utilização em aplicações de automação
industrial”.

5. Características Gerais:
 Braço manipulador – emula a
função do braço humano:
através do seu movimento
manipula objetos (ferramentas,
peças, etc.) no seu espaço de
trabalho.
 Pelo menos um ponto da sua
estrutura é fixo na sua base.
 Seu espaço de trabalho é
limitado a uma região próxima
a esse ponto fixo.

6. HISTÓRICO
Antecedentes:
Século XVIII:
- bonecos mecânicos / calculadoras mecânicas.
Século XIX:
- tear programável de Jacquard / Máquina analítica de Babbage.
- Frankenstein (Mary Shelley).
Século XX:
- 1920: Karel Capek - Robôs Universais de Rossum.
- 1939: Asimov - “três leis da Robótica”.
- 1943: Colossus – 1o
computador eletrônico (Inglaterra).
- 1951: teleoperador mestre-escravo / Whirlwind - 1o
computador tempo real.
- 1952: máquina ferramenta de comando numérico (MIT).
 Robô Manipulador = teleoperadores + comando numérico

7. HISTÓRICO
1a
Geração – (a partir da década de 50):
- Dotados apenas de sensores proprioceptivos (percebem apenas estados internos).
- Requerem um ambiente estruturado, com posicionamento preciso dos objetos.
- Robôs de seqüência fixa, repetem uma mesma seqüência de movimentos.
- Precisam ser reprogramados para executar uma nova seqüência.
- Dotados de pequeno poder computacional.
- 1954: Devol - patente de dispositivo de transferência programada de artigos.
- 1962: Devol/Engelberger - Unimation.
- 1971: braço elétrico de Stanford.
- 1973: WAVE - 1a
linguagem de programação de robôs.
- 1974: linguagem AL.
- 1979: linguagem VALII.
- 1981: Direct-Drive (Carnegie-Mellon).

8. HISTÓRICO
2a
Geração – (a partir da década de 80):
- São dotados de sensores proprioceptivos e externoceptivos (percebem o estado
atual do ambiente). Exemplo: visão e tato.
- Podem atuar em um ambiente parcialmente estruturado.
- Exemplo: reconhecer um objeto a ser manipulado fora da sua posição ideal e
alterar, em tempo real, os parâmetros de controle, de modo a completar a tarefa.
3a
Geração – (a partir da 2o
metade da década de 90):
- Fazem uso intensivo de sensores, algoritmos de percepção e algoritmos de
controle inteligentes, bem como são capazes de comunicar-se com outras
máquinas.
- São capazes de tomar decisões autônomas frente a situações não previstas.
- Podem atuar em um ambiente não estruturado.

9. Aplicações de Robôs Manipuladores
• Robôs manipuladores industriais geralmente trabalham integrados em
Células de Trabalho, associados a outras máquinas:
– Máquinas de comando numérico.
– Veículos de Guiado Autmático (AGV's).
– Sistemas de armazenagem automática (AS/RS - Automatic
Storage/Retrieval System)
– Esteiras.
– Pontes rolantes.
– Outros robôs.
– etc.

10. • A) Estação de posicionamento sobre o transportador para carga/descarga.
• B) Eixo transversal para aumentar o espaço de trabalho do robô.
• C) Estação de inspeção por computador integrada ao robô.
• D) Estação de montagem.

11. Carga e Descarga (Pick and Place):

12. Armazenamento Automático (AS/RS):

15. Empacotamento em paletas (pallets):

16. Transporte de materiais:

17. Montagem automatizada:

18. Soldagem:

21. Aplicação de resina:

22. Devastação:

23. Estrutura do Robô Manipulador:
• Robô Manipulador: Conjunto de corpos
rígidos, (chamados elos), interligados em
uma cadeia cinemática aberta através de
juntas, as quais são acionadas por atuadores
de modo a posicionar a extremidade livre da
cadeia (órgão terminal, efetuador, garra ou
ferramenta) em relação à outra extremidade,
que é fixa (base do manipulador).

24. Juntas
Garra
Elos
Base

26. • Junta: Interligação entre dois elos que permitem o
movimento relativo entre os mesmos numa única
dimensão ou Grau de Liberdade.
• Junta Rotacional: Permite a mudança da orientação relativa
entre dois elos.
• Junta Prismática: Permite a mudança da posição relativa entre
dois elos.

27. O BRAÇO MANIPULADOR ANTROPOMÓRFICO

28. PARTES DO ROBÔ MANIPULADOR
• Base (ou torso): Parte do manipulador presa ao chão, onde é fixa a estrutura.
• Braço:
– As três primeiras juntas, ligadas à base.
– Determinam predominantemente a posição do órgão terminal.
– Deve possuir atuadores potentes.
• Punho:
– As três últimas juntas, ligadas ao órgão terminal.
– Determinam predominantemente a orientação do órgão terminal.
– Deve possuir atuadores leves.
• Órgão Terminal:
– Ligado ao punho
– Interage com os objetos no espaço de trabalho realizando a manipulação.
– Pode ser uma garra (com dedos para segurar objetos) ou uma ferramenta específica.

29. PARTES DO BRAÇO

32. Mecanismo de braço tipo cartesiano

34. Mecanismo de braço tipo cilíndrico

36. Mecanismo de braço tipo esférico

38. Mecanismo de braço tipo multi-juntas vertical
(articulado ou antropomórfico)

40. Mecanismo de braço tipo multi-juntas horizontal
(SCARA)

42. Espaço de Trabalho
Volume do espaço alcançado pelo manipulador

43. Exemplo de especificação de Espaço de Trabalho

44. Mecanismo de Punho:

46. ÓRGÃOS TERMINAIS
• Garras: órgãos terminais específicos para pegar objetos.
• Ferramentas: órgãos terminais para finalidades diversas.

47. Garras
– Mecânicas: pegam pressionando o objeto entre dedos (que podem ser
intercambiáveis).
• Por movimento pivotante.
• Por movimento linear.
• Mãos antropomórficas.
– De Sucção: pegam através da criação de um vácuo entre a garra e a peça.
• requerem superfícies limpas e sem furos.
– Magnéticas: pegam através da atração magnética entre a garra e a peça.
• São rápidas, independem da forma e dos orifícios da peça.
• Funcionam apenas com materiais ferromagnéticos, podem pegar peças
indesejadas e podem deixar magnetismo residual nas mesmas.
• Aquelas a imã permanente requerem dispositivo para soltar a peça.
– Adesivas: pegam pelo contato com substância adesiva (que deve ser
renovada de tempos em tempos).
– Balões: pegam objetos côncavos através da pressão ao serem inflados.

54. FERRAMENTAS
• Ferramentas para soldagem a ponto.
• Maçaricos.
• Pistolas de pintura.
• Mandris
– Perfuração.
– Polimento.
– Retífica.
• Aplicadores de cola ou resina.
• Ferramentas de corte por jato de água.

56. HARDWARE DE UM MANIPULADOR

57. COMPONENTES DO HARDWARE
Operador
Estação de
Trabalho
Apêndice
de Ensino
Controlador
do
Robô
Acionamento
Aquisição
de Dados
Atuadores
Sensores
ROBÔ
Outras máquinas...

58. Estação de Trabalho:
• Computador que implementa a interface amigável com o operador.
• Permite que este programe as tarefas a serem executadas pelo braço.
• Através dela o programa é carregado no Controlador de Robô.
• Pode ser compartilhada por outras máquinas da célula de trabalho.

59. Apêndice de Ensino (Teach Pendant):
• Caixa de controle ligada diretamente por um cabo ao controlador do robô
• Equipada com teclas de funções que normalmente permitem que as juntas do
robô sejam acionadas uma por uma.
• A seqüência de movimentos pode ser gravada e utilizada pelo controlador do
robô para repetir a tarefa “ensinada”.

61. Controlador do Robô:
• Computador dedicado que interpreta o programa do robô.
• Executa as tarefas programadas através de algoritmos de controle das juntas.
• Algoritmos de controle monitoram através dos sensores o erro de posição.
• Algoritmos de controle determinam o esforço que deve ser aplicado pelos
atuadores de modo a executar as tarefas programadas.

62. Sensores:
• Posição: detectam a posição das juntas do manipulador.
– Potenciômetros: tensão proporcional ao ângulo da junta.
– Resolvers: tensão proporcional ao ângulo da junta.
– Encoders: ângulo da junta codificado digitalmente.
• Incrementais: contam pulsos correspondentes a incrementos angulares.
• Absolutos: fornecem diretamente o código binário correspondente ao ângulo.
• Velocidade: detectam a velocidade das juntas do manipulador.
– Tacômetros: tensão proporcional à velocidade da junta.
• Torque e força: detectam o torque e a força aplicados pela garra.
– Células de carga: tensão proporcional ao esforço na sua superfície.

63. Aquisição de dados:
• Circuitos de condicionamento e conversão analógico/digital dos sinais
fornecidos pelos sensores. Transformam a informação provinda nos sensores
num código numérico manipulavél pelo Controlador do Robô.
• Placas I/O digital: permitem receber e enviar sinais on/off para sincronização
das tarefas.
Acionamento:
• Circuitos de potência comandados pelo Controlador do Robô de modo a
aplicar nos atuadores a energia necessária para realizar os movimentos
programados.

64. Atuadores:
• Realizam a conversão da energia disponível em energia mecânica para
movimentar o braço.
– Hidráulicos: utilizam um fluido a pressão para movimentar o braço.
• Usados em robôs grandes.
• Grande potência e velocidade, mas baixa precisão.
– Elétricos: motores elétricos (de passo, servos CC ou CA) ou músculos
artificiais (ligas de Nitinol).
• Usados em robôs de médio porte.
• Maior precisão.
– Pneumáticos: utilizam um gás a pressão para movimentar o braço.
• Usados em robôs de pequeno porte.
• Baixa precisão. Limitados a operações do tipo pega-e-coloca.

67. Programação de Tarefas:
 O robô deve executar uma seqüência de tarefas
(missão).
 As tarefas podem ser:
 Deslocamentos.
 Operações.
 As tarefas devem ser programados previamente pelo
operador.
 Existem duas abordagens:
 Programação On-Line.
 Programação Off-Line.

68. Programação On-Line:
• Programador conduz o braço através de apêndice de
ensino (teach-pendant), de teleoperador mestre-
escravo ou de linguagem de programação textual.
• A posição do robô medida pelos sensores, bem
como as operações executadas são gravadas.
• As tarefas gravadas são reproduzidas posteriormente
pelo robô na linha de montagem.
• Desvantagem: é necessário parar a operação do robô
durante a programação.

69. Algoritmos de controle básico:
• Ponto a Ponto: grava-se apenas os pontos inicial e final
de cada movimento. O movimento entre eles não
interessa.
• Movimento Contínuo: grava-se pontos separados por
pequenos incrementos ao longo do caminho
especificado.
• Controle de Trajetória: Os pontos são gravados a uma
taxa contínua, com as juntas conduzidas em uma
trajetória suave e coordenada.

70. Programação com Apêndice de Ensino:
• O operador comanda as juntas manualmente através do
apêndice de ensino.
• Grava-se a seqüência de pontos intermediários e objetivos
alcançados, bem como as operações realizadas.
• O apêndice de ensino pode incluir outras teclas (definir
velocidade, entrar parâmetros de trajetória, programar
tarefas, etc.).
• Os dados gravados devem ser organizados em uma
seqüência lógica.
• Desvantagem: não é fácil movimentar a ferramenta por meio
de teclas. Movimento coordenado é praticamente impossível.

71. Programação por Linguagem Textual:
• Tarefas definidas por meio de programa em linguagem de
programação específica.
• Programa desenvolvido em ambiente de programação disponível na
Estação de Trabalho.
• Programa carregado no Controlador do Robô para ser interpretado.
• Linguagem inclui comandos que implementam primitivas de
movimento e manipulação. Exemplo:
move(junta, incremento, tempo_de_percurso)
move(x, y, z, tempo_de_percurso)
fecha garra

72. Tipos de linguagem de Programação:
• Linguagem de propósito geral já existente + bibliotecas
robóticas Exemplo: JARS (Pascal), AR-BASIC, ROBOT-
BASIC, (Basic), etc.
• Linguagem de propósito geral desenvolvida como base de
programação + bibliotecas robóticas. Exemplo: AML
(IBM), RISE (Silma, Inc.).
• Linguagem especial para manipulação. Proprietária, para
um tipo ou família específica de manipuladores.

73. Exemplo de um programa de robô:
movex to i.centerx, i.centery, 100, 0, i.angle
movex 0, 0, -50, 0, 0
movex 0, 0 , -12, 0, 0
grip
home
movex to 200, 280, 150, 0, 0
open
home

74. Programação Off-Line:
• Desenvolvida sem a necessidade de dispor do robô.
• Modelos CAD usados para validar as tarefas programadas
• Vantagens:
Não é necessário parar o robô.
O programador não é exposto ao ambiente do
robô..
• Desvantagens:
Erros de modelagem e imprecisões devem ser
compensados pelo controlador on-line.

75. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Descrição de Localização:
• Localização de um corpo rígido = Posição + Orientação
• Transformações Homogêneas

76. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Cinemática:
• Cinemática Direta: posição de juntas  localização da garra.
Cinemática direta

77. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Cinemática:
• Cinemática Inversa: localização da garra  posição de juntas.
Cinemática Inversa

78. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Cinemática Diferencial:
Velocidades/acelerações da garra  velocidades/acelerações de juntas.

79. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Estática:
• esforços nas juntas  esforços na ferramenta (robô parado).

80. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Dinâmica:
• Dinâmica Direta: esforços nas juntas  trajetória.

81. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Dinâmica:
• Dinâmica Direta: esforços nas juntas  trajetória.

82. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Dinâmica:
• Dinâmica Direta: esforços nas juntas  trajetória.

83. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Dinâmica:
• Dinâmica Direta: esforços nas juntas  trajetória.

84. Modelagem de Robôs Manipuladores:
Dinâmica:
• Dinâmica Inversa: trajetória  esforços nas juntas.

85. Controle de Robôs Manipuladores:
Geração de Trajetória:
• Localização inicial + localização final + duração  localizações intermediarias (t).

86. Controle de Robôs Manipuladores:
Geração de Trajetória:
• Localização inicial + localizaçãofinal + duração  localizações intermediarias (t).
t

87. Controle de Robôs Manipuladores:
Servocontrole:
• Trajetória gerada - Trajetória medida  esforços nos atuadores.
Ângulos de
junta gerados
Ângulos de
junta medidos
ROBÔ
Controlador
torques

88. Controle de Robôs Manipuladores:
Servocontrole:
• Trajetória gerada - Trajetória medida  esforços nos atuadores.
Objetivo
(coordenadas
cartesianas)
Cinemática
Inversa
Geração de
Trajetória
Servo
Controle
Esforços
Trajetória
desejada
Objetivo
(ângulos
de junta)

89. Controle de Robôs Manipuladores:
Controle de Força:
• Esforço desejado - Esforço medido  esforços nos atuadores de junta.
Esforço
desejado
Esforço
medido
ROBÔ
Controlador
torques