Robotica - Parte I

1Robtica

Autor deste material: Prof. Dr. Reinaldo Bianchi

4Os mais p no cho

Os mais p no cho vo pensar em algo assim

6Definio de Rob:

Definies modernas (dicionrio Houaiss): Mquina, autmato de aspecto humano,

capaz de se movimentar e de agir. Mecanismo comandado por controle

automtico. Mecanismo automtico que efetua

operaes repetitivas.

7Rob - Definio ISO

ISO 9283 (1998) Visa facilitar o entendimento entre usurios e

fabricantes de robs e sistemas robticos. Define as principais caractersticas de

funcionamento. Descreve como devem ser especificados. Recomenda como realizar 14 testes para verificar

se o rob obedece a especificao.

O que exatamente um rob?

No um mero utenslio automatizado (batedeira)

No uma simples mquina que repete operaes (mquina de lavar)

No um simples processador de informaes (computador)

Prof. Dr. Alexandre da Silva Simes

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8Dcada de 60

1960: A Unimation inicia o desenvolvimento do rob UNIMATE e comprada pelaCondec Corporation.

1961: George Devol consegue a patente (pedida em 1954) para um Programmed Article Transfer Machine, tambm conhecido como manipulador industrial..

1962: A General Motors instala o primeiro rob industrial do mundo em uma linha de produo, um UNIMATE.

Unimate

9UNIMATE (1961) Obedecendo

comandos armazenados em um cilindro magntico, o manipulador de 1 tonelada empilhava pecas de metal incandescentes.

Tambm foi usado para automatizar a fabricao de tubos de TV.

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1968

1968: O Stanford Research Institute demonstra o que reconhecido como o primeiro rob inteligente, o Shakey.

1968: A General Electric constri o Four Legged Walking Truck para o exrcito americano: Os movimentos so comandados por um

operador dentro do rob.

Shakey (1968)O Primeiro Rob Inteligente.

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Shakey (II) SRI International's Artificial Intelligence

Center (AIC) desenvolveu Shakey por um perodo de seis anos, iniciando em 1966.

O rob capaz de interpretar visualmente o meio onde est inserido, localizar objetos, navegar entre os objetos e raciocinar sobre suas aes.

Foi nomeado por causa de seus movimentos errticos e Balanantes.

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GE Walking Truck (1968)

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GE Walking Truck

O operador humano controla os passos deste rob apertando pedais.

A coordenao dos movimentos das pernas realizada por um computador.

1973: Milacron T3

Milacron T3: O primeiro rob manipulador industrial controlado por um minicomputador desenvolvido por Richard Hohn: The Tomorrow Tool The Cincinnati Milacron T3-786 robot was the

workhorse of the robotics industry for many years. Almost indestructable, thousands of thesemachines are still in production in hostile, 24 hourmanufacturing environments.

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1978-1986 1978: Utilizando tecnologia da Vicarm,

Unimation desenvolve o manipulador PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). O PUMA foi um dos maiores sucessos comerciais de todos os tempos e ainda usado em industrias e laboratrios de pesquisa.

1982 Fanuc do Japan e General Electric formam uma joint venture para comercializar robs nos USA.

1986: Com a licena da Unimation terminada, Kawasaki desenvolve e produz sua prpria linha de robs.

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UnimatePuma

Unimate Puma

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1986: Brooks Subsumption Architecture Cria um rebulio na rea de IA com

papers entitulados: Intelligence without Reasoning Intelligence without Representation Elephants dont play chess Building brains for bodies

Constri diversas criaturas que exibem comportamento inteligente. Copia comportamentos simples de insetos.

Criaturas de Brooks

Hannibal & Atilla

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Brooks cria a iRobot

1988: Brooks cria uma empresa para fabricao de robs. Eu acredito que no ano 2020 todo lar

americano vai ter um rob inteligente. E eu quero fornecer estes robs (IJCAI, 2001)

Hoje: www.irobot.com Fabrica aspiradores, limpadores, avatares,

etc.

Produtos iRobot hoje.

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Automao

Automao e Robs

Automao e Robtica so duas tecnologias prximas.

O que automao?

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Automao Industrial

um passo alm da mecanizao, onde operadores humanos so providos de mquinas para auxili-los em seus trabalhos.

A Automao Industrial visa, principalmente, a produtividade, qualidade e segurana em um processo.

Automao Industrial

Entre os dispositivos eletro-eletrnicos que podem ser aplicados esto: Computadores, controladores lgicos

programveis (CLP, CNC, SDCDs) Robs, manipuladores e atuadores.

Estes equipamentos em alguns casos, substituem tarefas humanas ou realizam outras que o ser humano no consegue realizar.

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Automao Industrial

A parte mais visvel da automao, atualmente, est ligada robtica.

Mas tambm muito importante a sua utilizao nas nas indstrias qumica, petroqumicas e farmacuticas, com o uso de transmissores de presso, vazo, temperatura e outras variveis necessrias para um controle automtico.

Classificao de Automao

Existem 3 tipos de automao: Fixa, Programvel, Flexvel.

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Automao Fixa

usada quando o volume de produo muito alto.

Utiliza equipamentos projetados para produo de produtos com alta velocidade e baixo custo.

Custo total dividido pelo grande nmero de unidades produzidas.

Exemplo: Fbrica da coca-cola

Automao Fixa (II) Risco: Alto investimento.

Se no ocorrer a demanda prevista, custo unitrio aumenta.

Problemas: Ao final do ciclo de vida do produto, o

equipamento se torna obsoleto. No economicamente vivel para

produtos com ciclo de vida curtos.

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Automao Programvel

usada quando: o volume de produo relativamente

pequeno. tm-se a necessidade de diversos

produtos. Utiliza equipamentos programados para

produo de produtos em lotes. Custo total dividido pelo grande

nmero de unidades produzidas. Adaptabilidade!

Automao Flexvel (2) Possui caractersticas da automao:

Fixa e Programvel.

Tambm chamada de Flexible Manufacturing Systems (FMS) Computer Integrated Manufacturing (CIM)

Versatibilidade!

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Automao Flexvel

usada quando o volume de produo mediano.

Utiliza uma srie de estaes de trabalho conectadas por equipamentos de manipulao de materiais.

Um computador central roteia e controla a produo de diferentes produtos. Possibilita a produo de diferentes

produtos ao mesmo tempo.

Caractersticas de um manipulador

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Caractersticas Bsicas

Algumas caractersticas bsicas que permitem definir um manipulador.

Algumas so tradicionais e outras usadas na norma ISO.

Graus de Liberdade (DOF) Os graus de liberdade determinam flexibilidade de

movimentao e/ou observao de algo. Objetos possuem 6 diferentes direes, nas quais

podem se mover no espao: Translaes:

para frente ou para trs (eixo X) para cima ou para baixo (eixo Y) ou para esquerda ou direita (eixo Z)

Rotaes Roll (rotao ao redor de X) Yaw (ao redor de Y) e Pitch (ao redor de Z)

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Graus de Liberdade (DOF) Degrees of Freedom - Definio:

Cada eixo (ou articulao) existente no manipulador cria um grau de liberdade.

Associados aos movimentos das juntas do manipulador.

Manipuladores industriais tem de 4 a 6 DOF, tipicamente.

Manipulador PUMA com 6 DOF

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Envelope de Trabalho

Definio: Uma regio no espao tri-dimensional que

a mo ou a ferramenta de trabalho que o manipulador possui consegue alcanar.

Depende do projeto mecnico do rob. Termo usado hoje para a rea de

trabalho de um operrio humano.

Envelope de Trabalho (II)

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Resoluo

Definio: Resoluo a menor mudana de posio

possvel que o rob pode realizar ou que seu sistema de controle pode perceber.

Caracterstica determinada pelo projeto do rob e de seu controle.

Dois tipos: Resoluo do programa Resoluo do controle.

Resoluo (II) Resoluo do programa:

a menor mudana de posio permitida pelo programa de controle do rob.

Conhecida como Basic Resolution Unit(BRU).

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Resoluo (III) Resoluo do controle:

a menor mudana de posio que o dispositivo sensor consegue captar.

Para um encoder de 1000 pontos por rotao de 0,36 graus.

Resoluo (IV) O melhor desempenho obtido quando a

resoluo de programa igual a resoluo de controle.

Neste caso pode-se usar apenas o termo resoluo do sistema.

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Acurcia

Definio: A habilidade do rob posicionar o atuador em uma

posio do espao. Depende do tipo do rob e da preciso no

controle de cada movimento de juntas. Pode ser descrita como metade da resoluo

de controle, considerando o pior caso: O alvo se encontra entre dois pontos de controle.

Repetibilidade

Definio: A habilidade do rob retornar consistentemente a uma

posio previamente alcanada. uma medida estatstica, associada a acurcia. Se a posio desejada no atingida, mas sempre o

mesmo erro acontece, ento a acurcia ruim mas a repetibilidade boa.

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Repetibilidade

Repitibilidade descreve o erro do rob, mas no em posies absolutas.

muito usada pelos fabricantes: A acurcia depende da carga:

Cargas maiores causam deflexes maiores, que degradam a acurcia.

A repetibilidade no depende da carga.

Configuraes de Robs Manipuladores

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Configuraes de manipuladores Robs industriais esto disponveis nos mais

variados formatos, tamanhos, capacidades A maioria dos robs manipuladores

disponveis hoje foi construindo seguindo uma das seguintes configuraes: Cartesiano (ou retangular ou linear) e Gantry Cilndrico (ou Post-type) Esfrico (ou Polar) Articulado (ou com juntas) SCARA Paralelos

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Manipuladores Retangulares

Movimento por meio de coordenadas cartesianas: Eixo x

Eixo y

Eixo z.

As juntas prismticasesto geralmente a 90 graus.

Envelope de Trabalho Retangular

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Envelope de trabalho Cartesiano

ManipuladorCartesiano

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Robs tipo Gantry (Prtico) Classificados como os

cartesianos, mas funcionando com base em suportes paralelos na lateral.

Lembram uma ponte rolante.

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Rob Gantry

Envelope de trabalho Gantry

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Manipulador Gantry

http://www.compositemfg.com/GantryRobots.htm

Retangulares: Vantagens e Desvantagens Vantagens:

Facilidade de visualizao Facilidade de programao. Estrutura rgida. Grande rea de trabalho em mesas.

Desvantagens: S pode alcanar na sua frente. No alcanam o ponto acima do rob. Baixa relao envelope de trabalho para

rea ocupada.

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Manipuladores Cilndricos

Movimento por meio de coordenadas cilndricas:

Altura

Rotao

Extenso do brao

Manipuladores Cilndricos

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Envelope de Trabalho Cilndrico

Envelope de Trabalho Cilndrico

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Manipulador Cilndrico

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Cilndricos: Vantagens e Desvantagens Vantagens:

Consegue alcanar todo seu entorno. Eixos rgidos Eixos de rotao de fcil construo.

Desvantagens: No consegue alcanar o ponto imediatamente

acima do manipulador. No consegue ultrapassar obstculos. Movimentos na horizontal so circulares.

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Manipuladores Esfricos (ou Polares) Movimento por meio de

coordenadas polares:

Rotao

Tilt (balano)

Extenso

do brao.

Unimate era Esfrico.

Manipuladores Esfricos

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Manipuladores esfricos

Envelope de Trabalho Esfrico

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Envelope de Trabalho Esfrico

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Esfericos: Vantagens e Desvantagens Vantagens:

Grande alcance na horizontal. Desvantagens:

No consegue ultrapassar um obstculo. 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 rotatrias que permite atingir qualquer posio.

PUMA articulado.

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Envelope de Trabalho Articulado

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Envelope de Trabalho Articulado


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Articulado: Vantagens e Desvantagens Vantagens:

Pode alcanar sobre ou sob obstculos. A maior rea de trabalho, com o menor

rea de alcance na mesa. Desvantagens:

De duas a quatro maneiras de alcanar um ponto.

o manipulador mais complexo de todos.

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Manipulador SCARA

Manipulador no tradicional, que possui juntas rotativas com eixos na vertical (juntas na horizontal).

Criado para manipular objetos pequenos com preciso.

Envelope de Trabalho SCARA

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Envelope de Trabalho SCARA

SCARA

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Vdeo

Scara Robots.mpeg

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SCARA: Vantagens e Desvantagens Vantagens:

Grande rea de trabalho em mesas. Pode alcanar atrs de obstculos.

Desvantagens: Duas maneiras de alcanar um ponto. Dificuldade de programao Complexidade grande do manipulador

Vdeos

Tem geometria paralela.

Alguns autores no os consideram manipuladores, por no ter a forma de um brao.

Manipulador Paralelo

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Manipulador Paralelo

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Classificao de robs

Classificao de Robs

Pode-se classificar os robs com base na aplicao pretendida: Industrial, Pesquisa, Militar, Segurana, Hobby ou Entretenimento, Domstico e pessoal.

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Classificao de Robs Pode-se classificar os robs com base

em sua caractersticas fsicas: Robs Manipuladores, Robs Mveis baseados em rodas,

Robs Mveis com esteiras,Robs Mveis com pernas:

Bpedes Quadrpedes Hexapdes, etc

Humanides: Bpedes com cabea, tronco, braos e pernas.

Aplicaes

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Razes para usar robs

Reduzir custos de trabalho Eliminar trabalhos perigosos Aumentar taxa de produo Melhorar a qualidade do produto Aumentar flexibilidade do produto Reduzir desperdcio de material Reduzir custo de capital

Prensa Transfer na China = Falta de segurana

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A zona da robtica Industrial

De: Princpios da Mecatrnica, Joo Maurcio Rosrio.

Critrios de Compra No tcnicos Custo x benefcio Quo comum o rob Treinamento e manuteno Confiabilidade Assistncia Tcnica Amigabilidade Segurana.

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Aplicaes de Robs

Pode-se dividir as aplicaes em 3 grandes categorias: Bem estabelecidas, baseadas em

manipuladores. As aplicaes de ponta, baseadas em

robs mveis. As possveis aplicaes futuras, baseadas

em robs mveis e humanides.

Aplicaes de robs - Modernas

Tarefas domsticas simples: aspirador de p ou limpadores de piscinas.

Explorao: Espacial Submarina Ambientes Perigosos

Medicina: Assistentes em cirurgias.

Entretenimento.

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Electrolux Trilobite

Electrolux Trilobite

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Limpador automtico de Piscina Dolphin

Limpador automtico de Piscina Dolphin

Minerao

Rob mapeia mina no Mxico.

www.geoconnexion.com/geouk_news_article/3D-Laser-Scanning-Robot-Maps-Mexican-Silver-Mine/3331

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1994: Cog

Embodied AI

MIT/Brooks Vdeo

DANTE(1996)

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NASA Pathfinder (1997)

HONDA ASIMOHONDA Asimo (1997)

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Spirit e Opportunity (2004)

Robodoc

This was a collaborative effort between IBM Research and surgeons and researchers at the University of California at Davis.

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Binica

A primeira mulher binica

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AIBOSony Aibo (2001)

Sony Qrio (2003)

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Fujutsus HOAP-2 (2003)

Toyota Partner Robots (2009)

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Actroid2003 - 2010

First Unit 2003.

Actroid will enter themarket, being sold for$20,000 at select storesin Japan

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Sculo XXI

Diversas novas aplicaes para robs surgem todos os dias.

Novas empresas so criadas e se fundem.

Pesquisa com nfase em humanides. 2001: Sony Lana o AIBO, o primeiro

cachorro domstico robtico. 2003: Sony lana Qrio.

Futuras Aplicaes

Baseadas em robs humanides: Busca e Salvamento, Empregada domstica,

Robs Universais: Robs para qualquer tipo de tarefa.

?

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Twendy-one

70

Finalmente.

Robtica mistura: Metodologia, Fsica, Matemtica, Controle

Concluso

Atualmente h 30 fabricantes de robs nos Estados Unidos e mais de 500 em todo o mundo.

Robtica vem se desenvolvendo como tecnologia h 60 anos.

Robtica uma tecnologia estratgica.

E no Brasil? Futuro?

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