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

[…continuação]

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…]

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Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 9

Parte 9

19. Accionadores / Actuadores

19.1. Definição

São dispositivos responsáveis pelo movimento das articulações e do desempenho dinâmico do robot. Podem ser eléctricos, hidráulicos ou pneumáticos.

19.2. Actuadores Hidráulicos

19.2.1. – Componentes

Os seus principais componentes são:
Motor;
Cilindro;
Bomba de óleo;
Válvula;
Reservatório de óleo.

19.2.2. – Características Mais Importantes

. O motor faz com que o óleo flua no cilindro, em direcção ao pistão que, por sua vez movimenta a junta do braço.
. Este tipo de actuador é (hidráulico), como facilmente se deduz, mais utilizado em robots de maior porte, sendo que a sua precisão é menor.
. Existem vários tipos de motores hidráulicos, como o motor de palheta, o de engrenagem, o de lóbulos, etc. apresentando todos eles um elevado torque com massa e volume reduzidos.
São por isso, como já referimos, apropriados a braços que manipulem grandes cargas.
. O seu custo é elevado.
. Apresentam também problemas de manutenção, já que podem ocorrer vazamentos do óleo e desgaste da bomba e motores.
. Os lineares são mais compactos e robustos que os seus equivalentes eléctricos e pneumáticos e, assim, são apropriados para robots do tipo pórtico ou esféricos, que usam juntas prismáticas.

Nota: Para saber mais sobre o que é o torque, consulte estes dois posts / animações:
–> O que é o Torque (aka Binário)
–> Relação entre Potência (Cavalo-Vapor), Torque / Binário, e Velocidade Angular (RPM)

Figura 29 – Robots com Actuadores Hidráulicos

19.3. Actuadores Eléctricos

. Geralmente os robots são de tamanho pequeno a médio.

19.3.1. Tipos de Actuadores Eléctricos

Os actuadores eléctricos mais comuns são:
. Motor de corrente contínua;
. Servo-motor;
. Motor passo-a-passo.

19.3.2. – Características Mais Importantes

. Não proporcionam grandes velocidades de operação nem elevada potência, quando comparados com os hidráulicos, mas são de muito maior precisão.
. Em geral são dotados de redutores para se poder reduzir a velocidade e, assim aumentar o torque, quando necessário.
. Os actuadores eléctricos podem utilizar-se em juntas prismáticas, sendo que a transformação do movimento rotativo do motor para movimento linear do braço é feito através de um fuso.

Figura 30 – Exemplos de Fusos

. Os motores lineares não se utilizam em robótica, pois as forças que produzem são bastante pequenas.
. O custo do accionamento eléctrico cresce com o torque necessário para accionar o braço mecânico.
. O tamanho do motor é mais ou menos proporcional ao conjugado produzido.
. A simples redução de velocidade, através de redutor, embora proporcione maior precisão e torque, reduz muito a produtividade.
. Maior torque significa maior velocidade ou maior carga, e ambos são, geralmente, desejáveis.
. O custo dos actuadores hidráulicos cresce também com o torque, mas de uma forma mais lenta, já que os motores tendem a ser mais compactos.
. Adicionalmente, o custo dos equipamentos de condicionamento e controlo do fluido hidráulico é elevado e pouco influenciado pela escala.

. Daqui se conclui que, como mostrado na figura a seguir, o accionamento eléctrico é mais vantajoso economicamente em braços de pequeno e médio porte, ao passo que o hidráulico é melhor, como vimos, para grandes potências/cargas.

Figura 31 – Custo de braços robóticos em função da capacidade de carga, para o accionamento hidráulico e eléctrico

20. Questionário (IX)

1. O que entende por actuadores robóticos?
2. Quais os tipos de accionadores robóticos que conhece?
3. Enumere os principais componentes dos actuadores, de braços de robot, hidráulicos.
4. Para um robot de elevada precisão, os actuadores hidráulicos serão os mais aconselhados?
5. Os robots que utilizam actuadores hidráulicos são, em geral, de pequeno, médio ou grande porte?
6. Quais os tipos de motores hidráulicos, usados nos actuadores hidráulicos, que conhece?
7. Os motores elevados apresentam, em geral, um baixo, médio ou elevado torque (binário)?
8. Qual o maior problema de manutenção que os motores hidráulicos apresentam?
9. Quando comparado com o dos motores eléctricos usados nos braços robóticos, o custo dos motores hidráulicos é baixo, médio ou elevado,?
10. Enumere os tipos de actuadores eléctricos, utilizados em braços robóticos, que conhece.
11. Indique quais as afirmações falsas quais as verdadeiras
a) Comparados com os actuadores eléctricos, os actuadores hidráulicos são mais potentes.
b) Comparados com os actuadores eléctricos, os actuadores hidráulicos são mais rápidos.
c) Comparados com os actuadores eléctricos, os actuadores hidráulicos são mais precisos.
d) Nos actuadores eléctricos, quanto maior é o torque mais barato é o motor.
e) Nos actuadores eléctricos, quanto maior é o conjugado maior é o tamanho do motor.
12. Os actuadores eléctricos são, muitas vezes, equipados com redutores. Qual a função destes elementos?
13. Qual a vantagem e desvantagem do redutor?
14. Qual o tipo de juntas em que se usam os actuadores eléctricos?
15. Os fusos são elementos que se usam muito como componente dos actuadores eléctricos dos braços robóticos. Qual a sua função?
16. Por que motivo não se usam motores eléctricos lineares como elementos actuadores em braços robóticos?
17. Em que condições é que o accionamento eléctrico é mais vantajoso do que o hidráulico?
18. Em que condições é que o accionamento hidráulico é mais vantajoso do que o eléctrico?

[continua…]

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Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 8

Parte 8

16. Órgão Terminal

16.1. Definição

É a mão ou ferramenta que está ligada ao pulso, como por exemplo, uma pistola de solda, garras, pulverizadores de tintas, etc.
É responsável por realizar a manipulação de objectos em diferentes tamanhos, formas e materiais.

. Requerem cuidados especiais ao serem projectados, pois é preciso controlar a força que vai aplicar ao objecto a ser manipulado.
. Por isso, muitos órgãos terminais são dotados de sensores que fornecem informação sobre os objectos ao circuito de controlo.

16.2. Exemplos de Modelos de Garras:

– Garra de dois dedos
– Garra para objectos cilíndricos
– Garra articulada

16.2.1. – Garra de dois dedos

. É um modelo simples e com movimentos paralelos ou rotacionais;
. Proporciona pouca versatilidade na manipulação dos objectos, pois existe limitação na abertura dos dedos, pelo que a dimensão dos objectos é limitada à abertura.

Figura 23 – Modelo de Garra de Dois Dedos

16.2.2. – Garra de Objectos Cilíndricos

. Consiste em dois dedos com semicírculos, os quais permitem segurar objectos cilíndricos de diversos diâmetros.

Figura 24 – Modelo de Garra para Objectos Cilíndricos

16.2.3. – Garra Articulada

. Tem a forma mais similar à mão humana, o que proporciona uma versatilidade maior para manipular objectos de formas irregulares e tamanhos diferentes;
. Esta característica está relacionada, principalmente, com a quantidade de elos;
. Os elos são movimentados por cabos ou músculos artificiais.

Figura 25 – Modelo de Garra Articulada

17. Sensores

17.1. Definição

São dispositivos cuja finalidade é obter informações sobre o ambiente em que são colocados, sendo utilizados como componentes do sistema de controlo de realimentação do robot.

17.2. Classificação dos Sensores

Há muitos tipos de sensores, podendo ser classificados de acordo com o seu princípio físico em que se baseia.

17.2.1. – Sensor de Posição

17.2.1.1. Definição:

Determina as posições dos elos ou de elementos externos, informando o sistema de controlo que, então, actua de acordo com essas informações, executando as decisões apropriadas e programadas para o funcionamento do sistema.

17.2.1.2. – Encoder

Um exemplo de sensor deste tipo é o “encoder” que informa a posição do motor através da contagem de impulsos.

17.2.1.2.1. – Funcionamento resumido do encoder:

. Num encoder temos uma fonte de luz, um receptor de luz, ambos fixos, e um disco perfurado, que irá modular a luz ao rodar.
. Este disco está preso a uma junta, de forma a executar um movimento rotativo.
. A rotação do disco provoca uma série de impulsos por via da interrupção ou não da luz recebida pelo receptor. Esses impulsos de luz são transformados, pelo receptor, em impulsos eléctricos.

Pode aprofundar os seus conhecimentos sobre o encoder, através de uma animação interactiva, aqui: https://www.profelectro.info/?p=4211&preview=true

Os encoders podem ser de dois tipos: absoluto e incremental.

17.2.1.2.2. – Imagens de Encoders:

17.2.2. – Sensor de Toque ou Sensores Tácteis

17.2.2.1. – Definição

Proporciona na sua saída um sinal binário, que indica se houve ou não contacto com o objecto.

. Um dos modelos mais simples é feito com duas chapas de metal que devem ser tocadas ao mesmo tempo pelos dedos de uma pessoa.
. A resistência dos dedos é suficiente para activar um circuito sensível.

17.2.1.2. – Imagens de Sensores Tácteis:

17.2.3. – Sensor de Pressão

17.2.3.1. Definição:

É uma estrutura mecânica feita de modo a deformar-se, dentro de certos limites, quando sujeita a uma pressão.

. Um modelo simples pode ser feito com esponja condutora, pois ela possui uma resistividade elevada que se altera quando pressionada.

. Outro modelo mais sofisticado e versátil é o strain-gauge, que é, na sua forma mais completa, uma resistência eléctrica formado por uma camada muito fina de material condutor. Nele, as tensões mecânicas são proporcionais às deformações medidas pelo sensor.

17.2.3.2. – Imagens de Sensores de Pressão:

17. Questionário (VIII)

1. O que entende por órgão terminal de um robot?
2. Dê dois exemplos de órgãos terminais de robots.
3. Qual a função do órgão terminal num robot?
4. Qual a razão pela qual os órgãos terminais dos robots requerem alguns cuidados especiais no seu projecto e construção?
5. Por que motivo os órgãos terminais são dotados de sensores?
6. Os modelos de garras são prevalecentes como órgãos terminais de robots. Que tipos conhece?
7. Dos três modelos de garras, qual o mais simples?
8. Qual dos modelos de garras apresenta uma maior similaridade com a mão humana.
9. Que tipos de movimento pode efectuar o modelo de Garra de Dois Dedos?
10. O modelo de Garra de Dois Dedos é pouco versátil. Por que razão podemos fazer esta afirmação? Qual a sua consequência prática?
11. Qual o modelo de garras mais versátil?
12. Qual o modelo mais adequado a manipular objectos de formas irregulares e tamanhos diversos?
13. Como é constituído o modelo de Garra de Objectos Cilíndricos?
14. Que tipo de objectos consegue o modelo de Garra de Oblectos Cilíndricos manusear?
15. No modelo de Garra Articulada como são movimentados os elos?
16. Identifique os seguintes modelo de garras:

17. O que entende por sensores?
18. Genericamente, para que servem os sensores num braço robótico?
19. O que entende por sensor de posição.
20. O que entende por encoder?
21. Explique resumidamente como funciona um encoder.
22. Que tipos de encoder conhece?
23. O que entende por sensor táctil?
24. Explique como pode ser feito um modelo simples de sensor táctil e como funciona.
25. O que entende por sensor de pressão?
26. Diga como pode ser feito um sensor de pressão simples e um outro mais sofisticado, explicando sumariamente como funciona cada um deles.

[continua…]