Curso Profissional de Electrónica, Automação e Comando
Disciplina de Automação e Comando
Módulo: Robótica

[…continuação]

Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 12

Parte 12/12

29. Dispositivos de Entrada para Manipuladores

29.1. – Definição

. São dispositivos que permitem programar o robot. Como exemplos temos o joystick, o rato, o teclado, as luvas artificiais, etc.

. Estes dispositivos são meios de interacção homem-máquina.
Ou seja, são uma forma de transmitirmos dados ao sistema de controlo do robot e, depois, este sistema os transmitir para os actuadores, que realizam os movimentos que nós solicitámos/programámos, através dos tais dispositivos de entrada.

30. Sistemas de Controlo

30.1. Definição

São sistemas sempre compostos por um misto de software e hardware e cuja função é processar os sinais oriundos dos dispositivos de entrada e, a partir deles e do programa, enviar os correspondentes sinais aos dispositivos de saída/actuadores.

30.2. Software

. O software pode ser desenvolvido num computador ou num microcontrolador.
. O microcontrolador reduz o custo do projecto, é rápido, dedica-se apenas ao controlo do robot. A s suas limitações prendem-se com o tamanho máximo de software que é possível introduzir-lhe.
. O computador pessoal apresenta uma elevada rapidez de processamento e maior espaço de memória.
. Por vezes aplica-se uma solução mista em que a parte mais leve do software fica a cargo do microcontrolador e a parte de processamento mais pesado, a cargo do PC.

30.3. Hardware

. A parte de hardware pode ser formada por, por exemplo, motores passo-a-passo, cabos, dispositivos de entrada, sensores e amplificadores de potência.

30.4. Princípio de Funcionamento

. Um dos factores mais importantes e comuns nestes sistemas é a utilização de sensores. O sistema é de malha fechada, ou seja, ele está sempre a verificar o estado actual do dispositivo sensor de entrada a ser controlado, e a comparar essa medida com um valor pré-definido. Essa comparação resultará num ‘erro’ (melhor dizendo, diferença), estando o sistema de controlo programado para fazer os ajustes necessários para que o ‘erro’ seja reduzido a zero, e o sistema fique no tal valor pré-definido.

Esquematicamente, em diagrama de blocos:

Figura 37 – Diagrama de blocos do controlo em malha fechada de um manipulador robótico

31. – Programação de Robots

31.1. Formas de Programação

31.1.1. – Manipulador Manual

É todo o engenho mecânico de manuseamento de peças ou ferramentas que requeira a intervenção manual do homem para a sua operação, isto é, o homem guia manualmente a máquina servindo esta como uma multiplicadora de forças.

31.1.2. – Robot Sequencial

É aquele que realiza um trajecto sequencial de passos (estados), podendo ser uma sequência fixa definida pelo fabricante e inacessível ao utilizador, ou uma sequência variável, alterada pelo utilizador de acordo com as suas necessidades.

31.1.3. – Robot de Aprendizagem

Neste tipo de robot, o caminho ou sequência é programado guiando-o manualmente pelo caminho que deve seguir.

31.1.4. – Robot Inteligente

É aquele que altera o seu modo de funcionamento mediante estímulos externos provenientes de sensores (ópticos, magnéticos, sonoros, etc.)

32. – Dinâmica do Braço Robótico

O desempenho dinâmico do robot está associado à velocidade de resposta, estabilidade e precisão.

32.1 – Velocidade de Resposta

É a destreza do braço, ou seja a capacidade de mover-se de um lugar para outro num (curto) período de tempo.
Assim, o torque de cada junta do braço e a aceleração em cada elo têm de ser analisadas.

32.2. – Estabilidade

Tempo necessário para amortecer as oscilações que ocorrem durante o movimento duma posição para outra.
Se for baixa devem aplicar-se elementos de amortecimento no braço, que melhoram a estabilidade mas pioram a velocidade de resposta.

32.3. – Precisão

Está relacionada com a velocidade e com a estabilidade, pois é uma medida de erro na posição do órgão terminal.

32.4. – Precisão de Movimentos

Está intrinsecamente correlacionada com três características:
. Resolução Espacial
. Precisão
. Repetibilidade

32.4.1. – Resolução Espacial

Depende do controlo do sistema e das inexactidões mecânicas do braço robótico. O sistema de controlo é responsável por controlar todos os incrementos individuais das articulações. Já as inexactidões relacionam-se com a qualidade dos componentes que formam as uniões entre as articulações, como as folgas nas engrenagens, tensões nas polis, e histereses mecânicas e magnéticas, entre outros factores.

32.4.2. – Precisão
Está relacionada com a capacidade de o braço posicionar o seu pulso num qualquer ponto dentro do volume de trabalho. Relaciona-se pois com a resolução espacial, pois depende dos incrementos que as juntas podem realizar.

32.4.3. – Repetibilidade

Está relacionada com a capacidade do braço robótico posicionar repetidamente o seu pulso num qualquer determinado ponto.
Sofre influência de folgas mecânicas, flexibilidade e limitações do sistema de controlo.

33. Transmissão de Potência

33.1. – Necessidade e Enquadramento

. Na maioria dos braços não é possível encontrar actuadores com as propriedades exactas de velocidade-torque ou de velocidade-força que precisamos para uma dada aplicação.
. Assim, temos de utilizar, nestes casos, algum tipo de dispositivo de transmissão de potência (como a transmissão do nosso carro).
. Podemos usar correias e polias e correias, correntes e rodas dentadas, engrenagens, eixos de transmissão e parafusos.

33.3. – Engrenagens

. Um exemplo de transmissão simples e bastante usado em robots é a engrenagem.
. As engrenagens possuem movimentos rotativos e a transferência pode ser entre eixos perpendiculares ou eixos paralelos.

33.3.1. – Exemplo

. A figura abaixo mostra duas engrenagens para transmissão com eixos paralelos e são conhecidas como engrenagens cilíndricas.

. A menor é conhecida como pinhão, e a maior como coroa.

. Se o pinhão tiver um quarto do tamanho da coroa, para cada revolução feita pelo pinhão a coroa gira apenas um quarto de volta, reduzindo, portanto, em um quarto a velocidade angular e aumentando o torque em quatro vezes.

Fig 38 – Engrenagens para transmissão, com eixos paralelos

33.3.2. Engrenagens – Relações Quantitativas (entre os seus elementos)

33.3.2.1. – Relação (dos dentes) das Engrenagens

. O número de dentes numa engrenagem é proporcional ao seu diâmetro, sendo a relação das engrenagens obtida pela expressão:

Onde:
é o número de dentes do pinhão e
é o número de dentes da coroa.

33.3.2.2. – Relação de Velocidades

. A velocidade da saída em relação à entrada é dada por:

em que é a velocidade de saída e é a velocidade de entrada.

33.3.2.3. – Relação de Torques

. O torque calcula-se através de:

34. Questionário (XII)

1. O que são dispositivos de entrada para robots?
2. No contexto dos manipuladores robóticos, o que entende por sistemas de controlo?
3. O software de um sistema de controlo de robots pode ser implementado em PCs e microcontroladores. Quais as vantagens e desvantagens de cada uma das soluções?
4. E a solução mista, que vantagens apresenta?
5. Dê cinco exemplos de dispositivos de hardware que possam fazer parte de um sistema de controlo de um sistema robótico.
6. Represente esquematicamente o diagrama de blocos do sistema de controlo de um manipulador robótico.
7. Explique sucintamente, mas de forma completa, o funcionamento do sistema de controlo de um manipulador robótico.
8. Enumere as formas de programação de robots.
9. Qual delas considera a mais sofisticada. Explique as razões da sua resposta utilizando comparações com as outras formas de programação.
10. O que entende por manipulador manual?
11. O que entende por robot sequencial?
12. O que entende por robot de aprendizagem?
13. O que entende por robot inteligente?
14. De que grandezas depende o grau de desempenho dinâmico de um robot?
15. O que entende por velocidade de resposta de um braço robótico?
16. O que entende por estabilidade de um braço robótico?
17. A precisão de um braço robótico é uma medida de quê?
18. Quando a estabilidade de um braço robótico é menor do que precisamos, quais as medidas que se podem tomar para melhorar esse handicap? E quais as consequências da tomada dessas medidas?
19. A precisão de movimentos de um braço robótico está directamente relacionada com que características suas?
20. De que depende a resolução espacial de um braço robótico?
21. As inexactidões do movimento do braço robótico, que contribuem para a sua maior ou menor resolução espacial, têm a ver com que factores?
22. O que entende por precisão de um robot?
23. O que entende por repetibilidade de um braço robótico e quais os factores que influenciam o seu valor?
24. Que tipos de movimentos têm as engrenagens?
25. Qual a finalidade das engrenagens?
26. Entre que tipos de eixos pode ser feita a transmissão de potência por meio de engrenagens?
27. O que entende por engrenagens cilíndricas?
28. Nas engrenagens cilíndricas, como se chama a roda dentada menor? E a maior?
29. Complete os espaços:
“Se o pinhão tiver metade do tamanho da coroa, para cada revolução feita pelo pinhão a coroa gira apenas um ________ volta, reduzindo, portanto, em _________ a velocidade angular e aumentando o torque para ___________.
30. Se o pinhão de uma roda de uma engrenagem tiver 20 dentes e a sua relação de engrenagem for de 3, quantos dentes tem a coroa?
31. Para a engrenagem da questão anterior, calcule o valor da velocidade final se a velocidade do pinhão for de 60 RPM.
32. Para a mesma engrenagem, calcule o torque final se o do pinhão for de 15 mt.kg.

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Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 11

Parte 11/12

26. – Métodos de Accionamento
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Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 10

Parte 10

21. Servomotores

21.1. – Constituição e Características Principais

. São formados por motores DC e um redutor de velocidades, em conjunto com um sensor de posição e um sistema de controlo realimentado.
. Por outras palavras, são motores comandados na sua posição (angular ou linear).
. São pequenos e apresentam uma grande variação de valores de torques.

21.2. – Princípio de Funcionamento

. O mecanismo de posicionamento ajusta a posição angular, através de um sinal codificado que lhe é enviado. Enquanto esse sinal estiver presente na sua entrada ele mantém a sua posição angular.
. Normalmente o sinal de comando é na forma PWM (Pulse Width Modulation), ou seja, a posição angular irá depender da largura do impulso enviado/recebido.

Nota: Se quiser aprofundar os seus conhecimentos sobre a Modulação por Largura de Impulso, Pulse Width Modulation (PWM) em inglês, consulte este artigo em 4 partes:
–> https://www.profelectro.info/?p=4480
–> https://www.profelectro.info/?p=4489
–> https://www.profelectro.info/?p=4499
–> https://www.profelectro.info/?p=4504

Figura 32 – Servomecanismos

22. – Motor de Passo-a-Passo

Figura 33 – Motores Passo-A-Passo

22.1. Características Principais

. São usados em aplicações que exijam pouca força;
. Podem rodar no sentido horário e anti-horário;
. Admitem variações incrementais de precisão angular;
. Apresentam repetição de movimentos bastante exactos (elevada repetibilidade);
. Possuem baixo torque;
. Permitem um torque de sustentação à velocidade zero;
. O seu controlo pode ser digital.

22.2. Tipos

. Bipolares
. Unipolares.
Em qualquer dos casos as fontes de alimentação são contínuas e precisam de um circuito digital que produza as sequências de sinais de controlo para que o motor funcione de acordo com o pretendido.

22.3. Funcionamento

. A forma em que irá funcionar o motor depende muito da aplicação concreta.
. Há casos em que o mais importante é o torque, noutros a precisão, noutros ainda é a velocidade.
. Para podermos trabalhar com um motor passo-a-passo, precisamos de saber as suas características de funcionamento, tais como a tensão de alimentação, a corrente máxima (suportada pelas bobinas), o grau (precisão), o torque.
. Estes motores têm várias formas de serem accionados, sendo as mais comuns o meio passo e o passo completo.

22.3.1. Passo Completo

. No modo de passo completo podemos accionar uma ou duas bobinas em cada passo, sendo que no caso de uma bobina o torque e o consumo serão menores.

. Na tabela seguinte podemos ver a sequência dos passos em sentido horário e o accionamento das bobinas num motor accionado em passo completo, com apenas uma bobina alimentada.

Tabela 2 – Passo completo com uma bobina alimentada e em rotação no sentido dos ponteiros do relógio

. No caso do modo completo com duas bobinas alimentadas, tem-se um torque maior, bem como um consumo maior. A velocidade também costuma ser maior neste caso, mas, num motor passo-a-passo, a velocidade máxima depende muito dos circuitos electrónicos e da estratégia de controlo que está a ser utilizada.

Tabela 3 – passo completo com duas bobinas em rotação no sentido dos ponteiros do relógio

22.3.2. – Meio Passo

. Na operação no modo meio passo, combinamos as duas estratégias anteriores, obtendo assim um efeito de meio passo a cada mudança no accionamento das bobinas.
. Este modo consome mais energia, mas como podemos trabalhar com passos mais pequenos, a precisão é maior. O torque é semelhante ao método anterior, mas a velocidade costuma ser menor.

Tabela 4 – meio passo no sentido dos ponteiros do relógio

Nota: Para mudar a direcção de rotação do motor, basta inverter a sequência dos passos.

Nota: Se quiser aprofundar os seus conhecimentos sobre o funcionamento dos motores passo-a-passo, veja esta animação e este artigo.

24. – Actuadores Pneumáticos

24.1. Características e Generalidades

. São parecidos com os hidráulicos, com a diferença de usarem ar em vez de óleo.
. O ar é altamente compressível, pelo que estes actuadores possuem baixa precisão e força mas, ao invés, elevada velocidade.

. Os actuadores pneumáticos lineares (cilindros) precisam de sistemas complexos para controlar a posição em pontos ao longo do seu curso, pelo que não podem ser aplicados em utilizações que requeiram precisão.

. Porém, em muitas tarefas industriais existem processos que exigem apenas que estes actuadores lineares trabalhem entre duas posições extremas (cilindro totalmente recolhido ou totalmente estendido), tarefa em que apresentam uma boa repetibilidade.
. São tarefas simples, do tipo movimentação de material, fixação de peças e separação de objectos, operações conhecidas genericamente por “pega-e-põe”.
. O seu baixo custo e da criação do ar comprimido torna-os bastante atractivos para estas tarefas simples.
. Pode-se usar o accionamento pneumático em juntas rotativas de forma directa (actuadores rotativos) ou com redutores (motores pneumáticos de lóbulos ou palhetas).
. Essas aplicações são muito específicas e indicadas apenas quando houver restrições quanto ao uso de actuadores eléctricos ou hidráulicos.

. A programação destes actuadores pode ser feita através de PLCs ou mesmo apenas com interruptores distribuidores ou de fim-de-curso. Este tipo de programação permite alguma flexibilidade na sequência dos accionamentos, mas é bastante limitada no que toca a mudanças na forma e na tarefa a ser executada.

. Podemos concluir que os sistemas pneumáticos estão mais perto de uma automação fixa do que da automação programável.

25. Questionário (X)

1. Qual a constituição de um servomotor?
2. O que entende por servomotor?
3. Indique quais as afirmações verdadeiras e quais as falsas
a) Os servomotores são pequenos motores
b) Cada servomotor possui um torque fixo
c) Os motores passo-a-passo apresentam torque baixo.
d) Nos motores passo-a-passo, o modo de operação que consome mais energia é o de passo completo.
e) Nos motores passo-a-passo, o modo de operação com maior precisão é o de passo completo.
4. Em cada momento, como é que o servomotor adquire a sua posição angular?
5. Qual a forma normal do sinal de comando de um servomotor?
6. Em que tipo de aplicações se utilizam os motores passo-a-passo?
7. Em que sentido podem rodar os motores passo-a-passo?
8. Os motores passo-a-passo apresentam elevada repetibilidade. O que quer isso dizer?
9. Quais os tipos de motores passo-a-passo que conhece?
10. Qual o formato das sequências de sinais de controlo dos motores passo-a-passo?
11. Os motores passo-a-passo são AC ou DC?
12. Para podermos trabalhar com um determinado motor passo-a-passo, quais as suas características, e respectivos valores, que temos de conhecer antecipadamente?
13. Que formas de accionamento dos motores passo-a-passo conhece?
14. Nos motores de passo completo quantas bobinas são alimentadas?
15. Quando accionamos apenas uma das bobinas do motor o torque desenvolvido pelo motor é maior ou menor do que quando accionamos duas bobinas?
16. Complete os espaços
A tabela seguinte corresponde a passo completo com _____ bobina(s) em rotação no sentido ____________ ponteiros do relógio

17. Qual é grande diferença entre a operação em modo meio passo e passo completo?
18. Se quisermos inverter o sentido de rotação de um motor passo-a-passo, o que teremos de fazer?
19. Qual a grande diferença entre actuadores pneumáticos e hidráulicos?
20. Classifique os actuadores pneumáticos quanto à precisão, força e velocidade.
21. Por que não podem os actuadores pneumáticos ser usados em aplicações de elevada precisão?
22. Que tipo de tarefas desempenham bem os actuadores pneumáticos?
23. Qual a característica que permite isso?
24. Como pode ser feita a programação dos actuadores pneumáticos?

[continua…]