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

Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 6

[…continuação]

Parte 6

12. Configuração (Física) dos Robots

Está ligada (isto é, tem a ver com…) aos tipos de juntas que possui.
Cada configuração pode ser representada por um sistema de notação de letras.
Primeiro consideram-se os graus de liberdade mais próximos da base, ou seja, as juntas do corpo, do braço e posteriormente do punho.
A notação das juntas rotativas, prismáticas e de torção foram vistas anteriormente.

O braço é formado por base, braço e punho.
O braço é ligado à base e esta é fixada ao chão, à parede ou ao tecto.
É o braço que efectua os movimentos e posiciona assim o punho.
O punho é dotado de movimentos destinados a orientar (apontar) o órgão terminal.
O órgão terminal executa a acção, mas não faz parte da anatomia do braço robótico, visto depender da aplicação.

A movimentação do braço e a orientação do punho são realizadas por juntas, que são articulações providas de motores.

Resumindo: A base sustenta o corpo, que movimenta o braço, que posiciona o punho, que orienta o órgão terminal, que executa a acção.

Em geral usam-se 3 juntas para o braço e 2 ou 3 juntas para o punho.

Os elos do braço são de tamanho grande, para que o alcance também o seja.
Os elos do punho são pequenos (às vezes nulos), para que o órgão terminal se desloque o mínimo possível durante a orientação do punho.

A nomenclatura, usada para os manipuladores, tem como base os tipos de juntas utilizadas na cadeia de elos, que parte da base para o órgão terminal.

Assim, um manipulador TRR terá a primeira junta (da base) torcional, e as duas seguintes, rotacionais.

O punho segue a mesma notação, sendo separada da notação referente ao corpo por dois pontos “:”
Exemplo – TRR:RR.

Nas tabelas seguintes apresentam-se as configurações típicas para o braço e o punho dos robots industriais:

Tabela 1 – esquema de notação para designar configurações típicas dos corpos dos robots industriais

Tabela 2 – Esquema de notação para designar configurações típicas dos punhos dos robots industriais

13. Questionário (VI)

1. A configuração física dos robots depende de que elemento?
2. Como se representam as configurações dos robots?
3. Qual é a ordem pela qual as letras que representam uma determinada configuração devem ser escritas.
4. Quais os elementos principais que constituem um braço robótico?
5. Explique como se ligam o braço e a base do manipulador.
6. Qual a finalidade dos movimentos que o braço executa?
7. Qual a finalidade dos movimentos que o punho executa?
8. Qual a finalidade do órgão terminal do manipulador?
9. Quais os elementos que permitem o movimento do braço e do punho?
10. E esses elementos são movimentados por via de que actuadores?
11. Normalmente quantas juntas utiliza o braço? E o punho?
12. Quais as características dos elos do braço? Justifique.
13. Quais as características dos elos do punho? Justifique.
14. Indique o significado das seguintes notações:
14.1. TRR
14.2. TRL
14.3. TRR:RT
14.4 LLL:TRT
15. Qual a notação que deve ser usada para representar a configuração de um manipulador com a seguinte configuração: braço e corpo – junta prismática, junta prismática, junta prismática; junta rotacional, junta torcional.
16. Qual a notação que deve ser usada para representar a configuração de um manipulador Scara com punho de três eixos.

[continua…]

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

Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 5

Parte 5

10. Cadeias Cinemáticas

Uma das principais características de um braço robótico é a sua capacidade de carga, ou seja, o peso máximo que consegue mover (erguer e manipular) sem que a precisão seja afectada.
Esta característica é sempre medida na posição mais desfavorável que, geralmente, é na posição de máxima extensão do braço.

Para melhorar esta característica há que aliviar o peso do próprio manipulador, podendo-se adoptar accionamento indirecto (ver à frente), ou usar cadeias cinemáticas fechadas total ou parcialmente.

10.1. – Robot de cadeia cinemática aberta
Partindo-se da base, podemos chegar ao punho através de um único caminho numa sequência elo-junta-elo.
Neste tipo de cadeia, costumamos ter um braço articulado do tipo revoluto.

10.2. – Robot de cadeia cinemática fechada
Existem vários caminhos da base até ao punho. Vários elos podem estar ligados entre si, de forma que podemos percorrer, por exemplo, um caminho que parta da base, regresse a ela por outro caminho, após atingir o punho.
Como exemplos deste tipo de robot temos os robots pórticos (“gantry”), que se utilizam na manipulação e armazenagem de materiais.

Existem outros manipuladores que apresentam parte da cadeia aberta e outra parte fechada, sendo conhecidos como de cadeia parcialmente fechada.

A figura seguinte apresenta um braço de cadeia cinemática parcialmente fechada.

Figura 9 – Representação esquemática de braço robótico com cadeia parcialmente fechada

Possui apenas um grau de liberdade, apesar de ter 4 articulações e 3 elos.
O accionamento deve ser feito por um único motor, ligado a uma das duas articulações da base.
Estas cadeias permitem que o motor de accionamento de uma dada junta possa ser fixado mais próximo da base, o que permite reduzir a inércia do conjunto e aumentar a velocidade e precisão do braço.

Na figura seguinte mostramos um braço revoluto de cadeia parcialmente fechada, da marca ABB, e ao seu lado um de cadeia fechada, da Fanuc.

Figura 10 – Manipuladores de cadeia parcialmente fechada (à esquerda) e fechada (à direita)

A representação esquemática das junções ou articulações não motoras nos braços com cadeia fechada é diferente da usada nas juntas motoras.
Costuma-se usar a mesma representação utilizada nas juntas, mas em tamanho menor.
Por outro lado, é frequente, nesses braços, a existência de 3 ou mais articulações ou juntas fixadas ao mesmo elo.

A figura abaixo mostra alguns exemplos de representações de articulações não motoras em tais braços.

Figura 11 – Representação esquemática de articulações não motoras

11. Questionário (V)
1. Uma das principais características de um braço robótico é a sua capacidade de carga.
Diga o que entende por capacidade de carga e como deve ser medida
2. Quais os 2 métodos que conhece para melhorar a capacidade de carga de um robot?
3. Qual a finalidade das cadeias cinemáticas nos robots?
4. Que tipos de cadeias cinemáticas conhece?
5. O que entende por robot de cadeia cinemática aberta?
6. O que entende por robot de cadeia cinemática fechada?
7. O que entende por robot de cadeia cinemática parcialmente fechada?
8. Qual o tipo de braço articulado em que mais é utilizada a cadeia cinemática aberta?
9. Dê um exemplo de um tipo de robot em que é utilizada a cadeia cinemática fechada.
10. Qual a grande vantagem de se utilizar a cadeia cinemática parcialmente fechada num robot?
11. Para os dois robots a seguir mostrados, diga qual o tipo de cadeia cinemática que cada um deles utiliza.

12. Quais as diferenças de representação esquemática entre a que é usada nas juntas motoras e a que se utiliza nas juntas não motoras dos braços com cadeias cinemáticas fechadas?

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Disciplina de Electricidade e Electrónica
Módulo: Osciladores
Disciplina: Automação e Comando
Módulo: Robótica

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Modulação por Largura de Impulso (PWM) – Parte 4/4

5. – Controlo da Velocidade de um Motor DC Passo-A-Passo de um Robot

5.1. Funcionamento e Ajustes

A modulação de largura-de-impulso é um método eficiente para ajustar a quantidade de potência entregue a uma carga eléctrica.

Um circuito simples, contendo um circuito integrado inversor, díodos, potenciómetro e condensador, cria um PWM de duty-cycle variável. Uma resistência e um transístor comutam cargas mais elevadas do que o CI 74AC14 conseguiria fazer sozinho.

Digamos que você tem um lindo motor DC rotativo para o seu robot. O problema é que o motor é um pouco rápido demais para depurar/afinar o funcionamento do robot, ou até demasiado rápido para utilização final.

Para afinar, você deseja que o motor rode a 1/3 ou 1/4 da velocidade total. Mas substituir o motor seria caro e desmontá-lo e montar o outro é coisa de ‘doidos’.

Você mede a corrente do motor sem carga (em vazio, sem nada para ‘puxar’), a 5V, e obtém 88 mA.

Nota pois que há uma resistência aparente de 56 ohm (5V / 0,088 A).

Poderá a velocidade do motor ser reduzida para 1/3 se inserir uma resistência de 112 ohm, para que ele receba apenas 2/3 da potência?

Para experimentar com resistências diferentes, insira um potenciómetro de 200 ohm entre o motor e a terra (GND).

Figura 9 – ERRO!

Comece por alimentar o circuito com a resistência configurada para 0 ohm.
De seguida movimente o cursor do potenciómetro até mais ou menos 112 ohm.
O motor é um bocado ‘preguiçoso’, mas parece que funciona e vê-se que está lento.
Desligue agora o circuito.

Quando realimentar o circuito de novo (ainda com o cursor na mesma posição, 112 ohm), o motor não roda mesmo! ESTRANHO!!!

O problema é que um motor é uma carga eléctrica variável.

O motor precisa de muito mais potência na fase de arranque do que depois, quando está já a funcionar em pleno.
A resistência de 112 ohm é muito elevada para o motor conseguir arrancar.
Os motores também precisam de muito mais potência quando um robot vai a subir uma colina ou quando empurra qualquer coisa.

Há uma outra razão pela qual uma resistência não é uma boa escolha para controlar a potência entregue a uma carga de valor elevado:
À medida que as exigências de potência aumentam, rapidamente excederá a potência suportada por uma resistência ou potenciómetro “normais”. O componente electrónico ficará muito quente e depois, muito provavelmente, avaria/queima.

Além disso, uma resistência gasta/consome muita energia na forma de calor (perdas, portanto). Num robot alimentado a pilhas, é mesmo preferível não desperdiçar energia (ou arranjar uma pipa de massa para comprar pilhas).

A modulação de largura-de-impulso é a salvação!

Figura 10 – Esquema de um circuito PWM, modulador de largura-de-impulso, controlando a velocidade de um motor.

Substituindo o potenciómetro por um transístor, a velocidade do motor pode ser controlada através do duty-cycle de uma onda quadrada.

Há duas diferenças entre a parte condutora deste circuito e do do LED:
. O transístor, Q3, deve ser mais potente que um 2N3904. Um 2N2222 está OK, para motores pequenos.
. Um díodo, D3, foi adicionado, para absorver os picos indutivos do motor. Um 1N914 ou um 1N4001 serve, para pequenos motores, mas é preferível um 1N5817.

No esquema acima, repare que o motor pode receber 12V, apesar de o CI 74AC14 ser alimentado a 5V. Isto é possível porque a saída do integrado alimenta a resistência do transístor, e não directamente o motor. A resistência, o transístor e o díodo, em conjunto, ajudam a isolar as tensões lógicas das tensões do motor.

5.2. Limitações Práticas do Controlo do Motor por PWM

Utilizando este circuito PWM, consegui alterar a velocidade do motor GM6 do Solarbotics, de 145 RPM a 5V para um valor tão baixo como 0,18 RPM a 5V.

Como pode imaginar, o consumo de potência diminuiu correspondentemente, pois o motor estava a OFF na maior parte do tempo.

Contudo, duvido que o motor fosse capaz de transportar uma carga (movimentar um robot) com uma tão grande alteração da velocidade do motor. Se precisar realmente de alterar a velocidade do motor de forma drástica, utilize engrenagens ou um motor diferente.

A modulação de largura-de-impulso é difícil abaixo dos 25% no caso dos motores porque eles não alcançam a mesma inércia rotacional em confronto com as resistências estáticas, devido à massa lubrificante, engrenagem, e intervalos entre comutadores.

De facto, para que o GM6 rode tão lentamente, tive de reduzir a frequência do PWM a apenas 100 Hz, substituindo o C2 por um condensador de 1 microF. Isto permitiu a cada impulso “ON” tempo suficiente para arrancar o motor com um movimento ligeiro antes da pausa do tempo a “OFF”.

Um outro truque interessante para o controlo do motor com o PWM é aplicar o dobro da tensão standard do motor. Normalmente, o PWM funcionará com um duty-cycle de 50% de forma a que a velocidade total do motor não se altere (o dobro da tensão mas metade do “tempo a ON”).
Mas, com o acrescento de tensão, o robot pode agora ajustar a velocidade do motor acima (ou abaixo) da sua velocidade normal.

Um aspecto estranho do PWM nos motores é que ele pode criar um chiado audível. Basicamente, se escolher uma frequência do PWM na gama audível, o dispositivo mecânico oscilará, muito provavelmente, de forma audível.

Aumentar a frequência para valores superiores a 20 kHz pode silenciar o chiado do motor. Mas, alguns motores, transístores, ou integrados drivers para motores são incapazes de comutar entre ON e OFF a uma velocidade tão elevada.

Precisará de experimentar a escolha da frequência correcta para o seu motor particular, sistema montado, semicondutores, e carga. Eu escolhi 1 kHz porque é provável que funcione com a maioria dos motores, mesmo que não de uma forma silenciosa ou electricamente óptima.

5.3. Vantagens da Modulação de Largura-De-Impulso

Espero que este artigo lhe tenha mostrado como é fácil controlar a velocidade de um motor, o brilho, e potência de um dispositivo eléctrico com a utilização de apenas uma mão-cheia de componentes electrónicos.

Este circuito é melhor do que usar uma resistência fixa ou variável para cargas de valor elevado ou variáveis, tais como motores e displays de LEDs.

Uma solução PWM baseada num microcontrolador utiliza menos componentes e tem a flexibilidade de podermos variar o duty-cycle e a frequência através de software.

Isso pode ser uma vantagem numa batalha de mini-sumo, onde a busca tem de ser desempenhada a uma velocidade do motor muito pequena, mas o duty-cycle precisa de crescer até aos 100% “ON” para empurrar o oponente.

Contudo, pode acrescentar integrados a este circuito se quiser ser capaz de seleccionar uma de entre várias velocidades. Por exemplo, utilizando um demultiplexer ou outro integrado de selecção-de-caminho, pode ligar o caminho entre a saída do 74AC14 e o potenciómetro para passar num de vários potenciómetros com o cursor em várias posições, cada um para uma ocasião, pois.

[FIM]