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

Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 4

Parte 4

8. Graus de Liberdade

Os graus de liberdade são um dos parâmetros mais importantes dos braços robóticos, pois são eles que determinam os movimentos que o robot pode fazer no espaço a duas ou três dimensões.

Cada junta define um ou dois graus de liberdade, pelo que o número de graus de liberdade de um robot se obtém fazendo uma soma de todos os graus de liberdade impostos por cada uma das suas juntas.

Quando o movimento pode ocorrer em apenas um único eixo, diz-se que a junta tem um grau de liberdade; caso o movimento se possa dar em mais do que um eixo, a junta tem dois graus de liberdade, como na figura abaixo é mostrado.

Figura 7 – Braços com um e dois graus de liberdade

Quanto maior for o número de graus de liberdade, maior é a complexidade da cinemática, a dinâmica e o controlo do braço.

O número de graus de liberdade de um robot está associado ao número de variáveis posicionais independentes que permitem definir a posição de todas as partes de forma unívoca.

Os movimentos robóticos podem ser separados em movimentos do braço e do punho.

Em geral, os braços têm 3 accionadores e uma configuração 3GL, numa configuração que permita que o órgão terminal alcance um ponto qualquer dentro de um espaço limitado em redor do braço.

8.1. – Em qualquer braço podem ser identificados três tipos de movimento independentes:
8.1.1. – Vertical Transversal
Movimento vertical do punho, para cima ou para baixo.
8.1.2. – Rotacional Transversal
Movimento do punho horizontalmente, para a esquerda e para a direita.
8.1.3. – Radial Transversal
Movimento de aproximação ou afastamento do punho.

Os punhos apresentam 2 ou 3 graus de liberdade.

As juntas dos punhos são agrupadas num volume pequeno para que não movimentem em demasia o órgão terminal quando são accionadas.

8.2. – Os movimentos do punho têm nomes específicos:
8.2.1. – Roll / Rolamento
Rotação do punho em torno do braço
8.2.2. – Pitch / Arfagem
Rotação do punho para cima e para baixo
8.2.3. – Yaw / Guinada
Rotação do punho para a esquerda e para a direita

Figura 8 – Movimentos possíveis aos punhos com 3GL

9. Questionário (IV)

1. Por que motivo são os Graus de Liberdade um dos parâmetros mais importantes do braços robóticos?
2. Explique como se determina o número de graus de liberdade de um robot.
3. O que entende por “junta com um grau de liberdade”?
4. O que entende por “junta com dois graus de liberdade”?
5. Que tipo de movimentos apresenta um robot?
6. Caracterize o movimento Rotacional Transversal.
7. Quantos graus de liberdade pode apresentar, no máximo, um punho de robot?
8. Quais os tipos de movimento possíveis a um punho?
9. Caracterize o movimento Yaw/Guinada
10. A figura representa os movimentos possíveis num punho com 3 Graus de Liberdade. Cada junta é responsável por cada um dos movimentos.
Identifique, junto de cada junta, o movimento pelo qual ela é responsável.

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

Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 3

Parte 3

6. Juntas

As juntas podem ser:
6.1. – Junta Prismática ou Linear
O movimento é em linha recta. São formadas por duas hastes que deslizam uma na outra.

6.2. – Junta Rotativa
Gira em torno de um eixo de rotação, à maneira das cadeiras giratórias ou das dobradiças das portas.

6.3. – Junta Esférica
É a combinação de três juntas de rotação, o que permite a rotação em torno dos três eixos.

6.4. – Junta Cilíndrica
É formada por duas juntas, uma rotativa e outra prismática.

6.5. – Junta Planar
É formada por duas juntas lineares, pelo que realiza movimentos em duas direcções.

6.6. – Junta Parafuso
É formada por um parafuso com uma porca, e que executa um movimento parecido com o da junta prismática, mas, aqui com movimento segundo o eixo central (movimento do parafuso).

Os Robots Industriais utilizam, mais comummente, apenas juntas rotativas e lineares.

6.7. Tipos de Juntas Rotativas

As juntas rotativas podem ser divididas de acordo com as direcções dos elos de entrada e de saída em relação ao eixo de rotação:

6.7. 1. – Rotativa de Torção ou Torcional T
Os elos de entrada e de saída têm a mesma direcção do eixo de rotação da junta.

6.7.2. – Rotativa Rotacional R
Os elos de entrada e de saída são perpendiculares ao eixo de rotação da junta.

6.7.3. – Rotativa Revolvente V
O elo de entrada possui a mesma direcção do eixo de rotação, mas o elo de saída é perpendicular a este.

Figura 5 – Representação esquemática de juntas

Na prática as coisas são um pouco diferentes da teoria, isto é, as soluções encontradas para fabricar os robots não seguem estritamente as classificações teóricas aqui explicitadas, aparecendo muitas vezes em situações mistas, e de difícil distinção.
Ou seja, a sua construção específica pode tornar ambígua a classificação/nome do braço.
A figura abaixo mostra um destes casos, em que um mesmo manipulador pode ser representado de duas formas distintas. O seu movimento é igual em ambos os esquemas, sendo que poderia ser denominado de TVR ou VRR, sem erro.
Para que a identificação seja única (só nesse caso é que as identificações servem de alguma coisa, não é?), devemos encontrar uma geometria em que os elos sejam formados por, no máximo, dois segmentos lineares. Assim sendo, a configuração VRR seria a correcta.

Figura 6 – Duas configurações distintas mas que originam movimentação idêntica: TVR e VRR

7. Questionário (II)

1. Quantos tipos de juntas conhece?
2. Caracterize cada um desses tipos
3. Identifique as juntas abaixo representadas quanto ao tipo

4. Quais os tipos de juntas que mais se utilizam na prática?
5. Quais os tipos de juntas rotativas que conhece?
6. Qual o parâmetro que permite dividir as juntas rotativas nos tipos que mencionou na questão anterior?
7. Em qual tipo de juntas rotativas o elo de entrada possui a mesma direcção do eixo de rotação?
8. Na prática o tipo/nome de um braço é sempre inequívoco? Explique.
9. Para que a classificação de um braço seja única como devemos proceder?
10. Qual o tipo de juntas que realiza movimentos em duas direcções?
11. Qual o tipo de junta que é formado por uma combinação de três outras. E qual é o tipo dessas três juntas?

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

Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 2

Parte 2

4. Fundamentos da Tecnologia de Robótica
Vamos ver agora quais são as características dos robots industriais que permitem seleccionar um determinado braço de robot para um determinado processo produtivo.
Veremos também os fundamentos teóricos dos elementos que definem essas características físicas do braço, bem como o seu desempenho dinâmico e o sistema de controlo.

4.1. Nomenclatura

Os modos de classificação/agrupamento são muitos, como por exemplo, quanto:
– à Aplicação;
– à Cadeia Cinemática;
– ao Tipo de Actuadores;
– à Anatomia, etc.

Mesmo a palavra robot pode ter muitos significados:
– Veículo Autónomo;
– Humanóide;
– ou um simples Braço com movimentos programáveis.

O grau de interactividade que podem manter com agentes externos a si próprio permite classificá-los em:
– Totalmente autónomos;
– Programáveis;
– Sequenciais;
– Inteligentes.

No nosso caso vamos circunscrever-nos aos robots industriais.
Definição
São máquinas projectadas para substituir o trabalho humano em situações de desgaste físico ou mental, em situações perigosas e/ou repetitivas, no processo produtivo em fábricas industriais.

Conclusão: dos três apontados acima, o que nos interessa aqui são os braços mecânicos programáveis.
Definição
Trata-se pois de um dispositivo composto por um circuito electrónico computorizado, programável, de controlo e um mecanismo articulado chamado manipulador.

Para saber qual o manipulador/robot que mais se adequa a um determinado trabalho, há que analisar:
. Anatomia
. Volume de Trabalho
. Sistema de Accionamentos
. Sistema de Controlo
. Desempenho e Precisão
. Órgãos Terminais
. Sensores
. Programação.

Então, vamos lá!

4.2. Anatomia dos Braços Mecânicos Industriais

É composta por braço e pulso.

O braço é formado por elementos denominados elos, que são unidos por juntas de movimento relativo, e onde são acoplados os accionadores para que estes efectuem os movimentos individualmente, sendo dotados de capacidade sensorial (sensores), e actuando de acordo com o que foi programado no sistema de controlo.

O braço fixa-se à base por um lado e ao punho por outro.

O punho é formado por várias juntas próximas entre si, que permitem a orientação do órgão terminal nas posições que correspondem à tarefa a ser realizada.

Na extremidade do punho há um órgão terminal (mão ou ferramenta) que é quem executa a tarefa exigida pela aplicação.

Figura 2 – Esquema de elos e juntas

O elo mais próximo da base recebe o nome de elo de entrada.
Por sua vez, o elo mais próximo do órgão terminal tem o nome de elo de saída.

Figura 3 – Sequência de elos num braço robot

Eis o esquema de um braço robótico completo, com todas as partes que falámos atrás:

5. Questionário (II)
1. Os braços robóticos podem ser classificados tendo em conta várias características. Dê exemplo de três delas.
2. Quando falamos em robot, esta palavra pode ter vários significados. Explicite três deles.
3. Classifique os braços robóticos quanto ao seu grau de interactividade com elementos externos.
4. O que entende por robot industrial?
5. O que entende por braços mecânicos programáveis?
6. Quando tem uma determinada tarefa que gostaria que fosse executada por um manipulador mecânico programável, quais as características desse manipulador que tem de estudar para saber se o mesmo se adequa à tarefa a realizar?
7. Quais os dois elementos principais que formam os braços mecânicos industriais?
8. Quais os elementos que formam o braço?
9. Ao braço é fixado um órgão terminal, numa das suas extremidades. E na outra?
10. Qual a função do punho/pulso do braço robótico?
11. Qual a função do órgão terminal? Que outros nomes pode ter?
12. Qual o nome do elo mais próximo da base? E o mais próximo do órgão terminal?
13. Identifique os vários elementos de um braço robótico.