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robótica na construção - Repositório Científico do IPCB

1. i i l i l F igi n 4 Po R 4 P UR f i in N i il Estas equa es permitem avaliar elo a elo at ao elo n trabalhando em comum at base do rob Assim o momento aplicado na junta obtido pela componente Z do momento aplicado pelo elo no seu elo vizinho pun x Para uma junta prism tica 1 1 temos IPT i T X onde 1 a for a actuante linear Controlo de Rob s 89 3 6 3 EQUACAO DIN MICA DA ESTRUTURA DO MANIPULADOR As equa es Newton Euler s o analisadas simbolicamente para qualquer manipulador e podem ser expressas na forma t M 9 8 v 0 6 G 6 em que M 0 a matriz massa nxn do manipulador v 0 6 o vector nx1 dos termos centr fugo e coriolis e G o vector nx1 dos termos da gravidade ou SIE ET PS HT HT onde Tm for as devido in rcia Ty for as centr fugas e coriolis t for as de atrito Te for as de gravidade Ta for as n o modelizadas Te for as externas Craig 1989 De uma forma gen rica TT P m onde Tm momento que o actuador aplica na junta Tmm in rcia do motor Tam In 0 TmR In rcia do rob estrutura Controlo de Rob s 90 3 6 4 FORMULACAO DE LAGRANGE NA DIN MICA DE UM MANIPULADOR A aproxima o Newton Euler baseada numa formula o din mica elementar a par com a an lise de for as e momentos agindo entre os elos Como alternativa formula o ou
2. es que o comp em Os rob s s utilizam as articula es de rota o e as prism ticas com um grau de liberdade cada uma em que o n mero de graus de liberdade do rob coincide com o n mero de articula es que o comp em O emprego de diferentes combina es de articula es num rob d lugar a diferentes configura es e caracter sticas que t m de se ter em conta tanto no desenho e constru o do rob como na sua aplica o Consultar Barrientos et al 1997 Pesquisa Bibliogr fica 25 Embora um rob necessite apenas de dois ou tr s graus de liberdade para ser util por vezes s o necess rios mais de seis graus de liberdade para ser poss vel realizar tarefas mais complexas Por exemplo para posicionar e orientar um corpo no espa o s o necess rios seis par metros tr s para definir a posi o e tr s para a orienta o Portanto se se pretende que um rob posicione e oriente o seu extremo no espa o e com ele a pe a ou ferramenta manipulada s o necess rios pelo menos seis graus de liberdade Existem tamb m casos em que preciso mais de seis graus de liberdade para que o rob possa ter acesso a todos os pontos sua volta Quando trabalha num meio com obst culos necess rio dotar o rob com graus de liberdade adicionais que lhe permitir o aceder a posi es e orienta es s quais devido aos obst culos n o consegue aceder com apenas seis graus de liberdade Do manipulador
3. 1986 e Groover 1989 apresentam um estudo detalhado das diferentes ferramentas e pincas para rob s Pesquisa Bibliogr fica 27 Caracter sticas dos actuadores Actuadores pneum ticos Os actuadores pneum ticos t m como fonte de energia o ar com press es entre 5 e 10 bar Deve se ter em conta que o emprego de um rob com accionamento pneum tico dever dispor de uma instala o de ar comprimido incluindo compressor sistema de distribui o filtros secadores etc Geralmente devido compressibilidade do ar os actuadores pneum ticos n o conseguem uma boa precis o de posicionamento e as cargas m ximas suportadas forcas e momentos de torc o s o menores relativamente aos sistemas hidr ulicos No entanto estas instala es pneum ticas s o frequentes e existem em muitas f bricas onde h um certo grau de automatiza o A vantagem deste tipo de sistemas reside principalmente no seu baixo custo seguran a e facilidade de opera o De salientar que a maioria dos locais industriais j tem uma instala o de ar comprimido que pode ser utilizada A sua principal utiliza o em rob s de precis o Actuadores hidr ulicos Os actuadores hidr ulicos funcionam de um modo id ntico aos pneum ticos mas em vez de ar utilizam se fluidos a uma press o compreendida entre os 50 e 100 bar produzindo esforcos de torc o As caracter sticas do fluido utilizado pelos actuadores hidr ulicos estabelecem dif
4. DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL FACULDADE DE CI NCIAS E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DE COIMBRA ROB TICA NA CONSTRUCAO UMA APLICACAO PR TICA CRISTINA CALMEIRO DOS SANTOS Dissertac o para obtenc o do grau de mestre em Engenharia Civil Especializa o em Ci ncias da Constru o Coimbra Novembro de 2002 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL FACULDADE DE CI NCIAS E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DE COIMBRA ROB TICA NA CONSTRUCAO UMA APLICACAO PR TICA CRISTINA CALMEIRO DOS SANTOS Dissertac o para obtenc o do grau de mestre em Engenharia Civil Especializa o em Ci ncias da Constru o Autor Assistente do 2 tri nio Cristina Calmeiro dos Santos EST IPCB Orientador Professor Doutor Fernando Jos Telmo Dias Pereira DEC FCTUC Co orientador Professor Doutor Joaquim Norberto Cardoso Pires da Silva DEM FCTUC Coimbra Novembro de 2002 AGRADECIMENTOS Os meus primeiros agradecimentos v o para o Professor Doutor Telmo Pereira do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade de Coimbra que aceitou orientar esta disserta o de mestrado O trabalho com o Professor Doutor Telmo Pereira foi me proporcionando a consci ncia da riqueza e potencialidades da Rob tica Industrial aplicada Ind stria da Constru o Civil Agrade o lhe o apoio e a orienta o que foi preciosa no esclarecimento de d vidas quest es e partilha de opini es As discuss es
5. a t 0 a 0 a 4 2a t 3a t Por resoluc o em ordem a a obtemos os pontos da traject ria ao 0 a 0 3 a 0 0 t 2 a 0 0 t 20 Veja se Fu et al 1987 Craig 1989 e Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 97 Usando os coeficientes ao a1 a2 e a3 obtidos anteriormente pode se calcular o polin mio de grau tr s que liga qualquer posic o inicial com qualquer posic o final desej vel A soluc o que foi obtida para velocidades inicial e final iguais a zero Craig 1989 Controlo de Rob s 98 Cap tulo 4 UTILIZACAO DE ROB S NA IND STRIA DA CONSTRUCAO 4 1 INTRODUCAO O sector da construc o na maioria dos pa ses industrializados um dos que mobiliza um maior n mero de recursos econ micos e humanos Constitui em Portugal um sector de grande projec o econ mica quer ao n vel do n mero de empresas envolvidas e factura o produzida quer a nivel de quantidade e diversidade da m o de obra empregada Uma das caracter sticas principais desta ind stria o grande peso do custo da m o de obra uma vez que na execu o dos empreendimentos esse custo de 2 5 ide bo cerca de 50 do custo total Da ser frequente a sua identifica o como o motor da economia nacional Neste cap tulo veremos em primeiro lugar que a rob tica ao pretender substituir o homem pelas m quinas nomeadamente em opera es de trabalho manual intensivo e r
6. o a xi i Angulo entre os eixos xj e x em rela o a Zi 1 Os par metros de Denavit Hartenberg s o um conjunto de quatro par metros por elo junta dois descrevem o elo e os outros dois descrevem a liga o a um elo adjacente Assim um rob manipulador de seis graus de liberdade precisa de vinte e quatro par metros para definir completamente a sua estrutura Fu et al 1987 Os par metros a e O s o sempre constantes e dependem da geometria da liga o entre juntas consecutivas estabelecidas pelo elo i Dos dois par metros comuns s um vari vel dependendo do tipo de junta que liga o elo i 1 ao elo i Em particular Se a junta i de revolu o a vari vel O Se a junta i prism tica a vari vel di Controlo de Rob s 68 Utilizando a nota o de Denavit Hartenberg e as regras de defini o de sistemas de refer ncia anteriormente apresentadas f cil concluir que a matriz de transforma o que descreve a transforma o de coordenadas entre o eixo i e o eixo 1 1 se obt m tendo em conta os seguintes passos Fu et al 1987 Sciavicco e Siciliano 1996 Selec o do eixo alinhado com 1 1 2 Selec o da coordenada di ao longo do eixo zi e rota o 0 em torno do eixo z 1 a sequ ncia alinha o eixo de refer ncia com o eixo i e descrita pela matriz de transforma o dada por Cy s 0 0 AT Sy Cy 0 0 0 1 d 0 0 0 1 3 Alinhamento com o eixo 1 atrav s de a a
7. o de revolu o realiza um movimento relativo rotacional entre dois elos Figura 3 4 e 3 5 Sciavicco e Siciliano 1996 Figura 3 4 Articula o ou Junta de Revolu o Controlo de Rob s 38 TE Figura 3 5 Articulac o ou Junta Prism tica Os rob s manipuladores industriais usados nas diversas tarefas de manufactura e montagem utilizam uma das quatro categorias b sicas da defini o de movimento Fu et al 1987 Sciavicco e Siciliano 1996 Coordenadas cartesianas ou rectangulares 3 eixos lineares rob cartesiano Coordenadas cil ndricas 2 eixos lineares e 1 de rotac o rob cil ndrico Coordenadas esf ricas ou polares 1 eixo linear e 2 eixos de rota o rob polar Coordenadas articuladas ou de revolu o 3 eixos de rota o rob de revolu o Um rob manipulador usa as juntas do bra o para a fun o de posicionamento e as juntas do punho para a fun o de orienta o Existem assim cinco tipos principais de bra os em rob tica de manipula o cartesiano cil ndrico polar revolu o e SCARA Para um estudo mais detalhado sobre esta tem tica pode se consultar Fu et al 1987 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 Nof 1999 e Sandler 1999 Controlo de Rob s 39 3 3 1 ROBO CARTESIANO A coordenada do centro da ferramenta especificada em fun o de 3 eixos de transla o
8. rampas e uma grande diversidade de materiais colocados em s tios incertos e sem aloca o definida Neste sentido os locais de trabalho caracterizam se pela n o estrutura o decorrente do dinamismo inerente ao pr prio estaleiro e da falta de planeamento das actividades Figura 4 1 Esta desestrutura o dos estaleiros cria obst culos na defini o de pontos e refer ncias a dar ao rob para a sua movimenta o e execu o de tarefas Os locais de trabalho obras e respectivos estaleiros apresentam se com grande dispers o geogr fica principalmente as das grandes empresas pois tanto podem estar a construir no norte como no sul do pa s o que implica o transporte de materiais e equipamentos a grandes dist ncias tornando se por vezes invi vel Simultaneamente h tarefas a serem executadas entrecruzando se em termos de recursos a elas afectos tal facto exige dos rob s a partilha de recursos sem interferir no espa o de trabalho que cada tarefa a ser executada requer Entende se por estaleiro o local de trabalho onde se efectuam trabalhos de constru o de edif cios e de Engenharia Civil pontes estradas t neis etc bem como os locais onde se desenvolvem actividades de apoio directo queles trabalhos Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 104 Figura 4 1 Estaleiros e respectivas obras bvia a impossibilidade de actuac o de rob s Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o
9. CWeldadjustDlg Onjread return m j1 GetWindowText msg if msg GetLength warn 0 float atof msg m_j2 GetWindowText msg if msg GetLength warn 1 float atof msg m_j3 GetWindowText msg if msg GetLength warn 2 float atof msg m_j4 GetWindowText msg if msg GetLength warn 3 float atof msg m_j5 GetWindowText msg if msg GetLength warn 4 float atof msg m_j6 GetWindowText msg if msg GetLength warn 5 float atof msg warn 6 float 9e9 warn 7 float 9e9 warn 8 float 9e9 warn 9 float 9e9 warn 10 float 9e9 warn 11 float 9e9 all done FALSE VariantInit amp var rgsabound 0 Lbound 0 rgsabound 0 cElements 12 var vt VT_ERRor psa SafeArrayCreate VT_R4 1 rgsabound for 120 i lt 11 i var parray psa if all_done var vt VT ARRAY VT_R4 SafeArrayLock psa m_pon WriteJointTarget joints_now amp var else AfxMessageBox Ooops VariantClear amp var Figura 4 15 Rotinas em C as quais permitem escrever o valor actual das juntas do rob Enquanto para movimentar o rob se utiliza a caixa Joint Position para pulsar o arame na tocha de soldadura utiliza se o bot o Pulse Wire que permite controlar a velocidade de avan o de arame mediante uma sa da anal gica aoFEED REF O accionamento do motor que controla o arame da tocha feito por uma sa da digital doFEED Figura 4 16 Utiliza o de Rob s na Ind stria da Con
10. Na execu o de uma traject ria um manipulador deve deslocar se da sua posi o inicial para a posi o desejada de um modo suave 8 Veja se Fu et al 1987 Craig 1989 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 Controlo de Rob s 94 O problema base movimentar o manipulador da posi o inicial para uma posi o final desejada isto pretende se movimentar a ferramenta do seu valor corrente Tinicial para o desej vel valor final Trina Este movimento envolve uma mudan a de orienta o e de posi o da ferramenta relativa ao eixo de refer ncia Um dos caminhos para descrever uma traject ria indicar uma sequ ncia desej vel de pontos entre a posi o inicial e a posi o final Os pontos da traject ria incluem todos os pontos interm dios inclusive o inicial e o final Um m todo para a determina o de uma traject ria considera que a forma dessa traject ria no espa o e no tempo descrita em fun o de ngulos das juntas Cada ponto da traject ria especificado em termos de posi o e orienta o desej vel do eixo da ferramenta T relativamente ao eixo de refer ncia S Assim todos os pontos s o convertidos num conjunto de ngulos de junta por aplica o da cinem tica inversa ent o determinada uma fun o plana para cada n juntas a qual passa atrav s destes pontos at ao ponto que se pretende Apresenta se de seguida o problema do movimento de uma ferramenta
11. Para que o rob execute a tarefa pretendida para al m das aplica es Cliente Servidor necess rio proceder troca de ficheiros entre o PC e o controlador do rob assim como transferir programas m dulos de software base de dados etc entre o controlador do rob e o PC Deste modo necess rio uma Utilizac o de Rob s na Industria da Construc o 130 aplica o Figura 4 11 que funcione de modo id ntico ao explorador de ficheiros do Windows em que os rob s aparecem como discos extra permitindo ao utilizador aceder ao disco interno ou disquete do controlador do rob de uma maneira simples lnx r Personal Computer 3 r Robot Control System Drive Drive Files F i INSTALL CMD ii J PGMCPLILOG Directories irectories APGM LOD ADPGM LOD KATAKAN TPU STARTUP CMD 4 Copy to 54 gt gt gt Copy to PC Delete from 54 Filename fiapcih Files JR3 PCI Card Interface de jr3pci c Drive c Path Filename ir3pci idm c Mr3pcitjr3pci h juser c memtest c Path c Nir3pci C J Norberto Pires Init Disable babylon Running under WinNT Figura 4 11 Explorador de ficheiros do rob Note se que esta aplicac o tal como o painel de controlo do rob foi desenvolvida para os rob s ABB equipados com controlador da fam lia S4 Se usarmos um rob da FANUC M16 100i com um controlador RJ3 est disponibilizado
12. Quat rnios VI VIII XI XIV U A U O N 33 34 34 36 40 41 42 43 46 47 51 54 59 ndice Geral ix 3 5 CINEM TICA DE UM ROB MANIPULADOR 3 5 1 Cinem tica Directa 3 5 2 Espaco da Junta e Espaco Operacional 3 5 3 Espaco de Trabalho 3 5 4 Cinem tica Inversa 3 5 5 Cinem tica Diferencial 3 5 6 Forcas Est ticas 3 6 DIN MICA DE UM ROB MANIPULADOR 3 6 1 Formula o de Newton Euler 3 6 2 Formula o Din mica Iterativa de Newton Euler 3 6 3 Eguac o Din mica da Estrutura do Manipulador 3 6 4 Formulac o de Lagrange na Din mica de um Manipulador 3 7 GERACAO DE UMA TRAJECT RIA CAP TULO 4 UTILIZACAO DE ROB S NA IND STRIA DA CONSTRUCAO 4 1 INTRODU O 4 2 POSSIBILIDADES DA UTILIZA O DE ROB S 4 3 ROB S NA CONSTRU O ROB S EM OBRA 4 4 ROB TICA NA PR FABRICA O 4 5 UMA APLICA O PR TICA 4 5 1 Processo de Soldadura 4 5 2 Sistema de Implementa o Hardware e Software 4 5 3 Resultados Pr ticos 4 6 CONCLUS O CAP TULO 5 CONCLUS ES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS 5 1 INTRODU O 5 2 CONCLUS ES 5 2 DESENVOLVIMENTOS FUTUROS BIBLIOGRAFIA 62 64 70 71 72 73 81 84 85 86 90 91 94 99 100 101 108 113 115 117 119 137 138 140 141 141 145 146 Indice Geral x INDICE DE FIGURAS Figura 2 1 A Zona da Rob tica Figura 2 2 Alguns rob s industriais dispon veis Figura 2 3 Os movimentos do punho do rob Pitch Ya
13. Robotiza o em Soldadura Edi es T cnicas do Instituto de Soldadura e Qualidade ISQ 1992 Schlussel 1985 Schlussel K Robotics and Artificial Intelligence Across the Atlantic and Pacific IEEE Transactions on Industrial Electronics IE 30 3 pp 244 251 Sciavicco e Siciliano 1996 Sciavicco Lorenzo Siciliano Bruno Modeling and Control of Robot Manipulators McGraw Hill Italy 1996 Soska 1985 Soska G V Third Generation Robots Their Definition Characteristics and Applications Robotics Age 7 5 pp 14 16 1985 Tesla 1983 Tesla N My Inventions Autobiography of Nicola tesla Willinston VT Hart Brothers 1983 Bibliografia 151 Ueno 1994 Ueno T A Japanese View on the Role of Automation and Robotics in Next Generation Construction Paper presented at 11 ISARC June 1994 Vockroth 1994 Vockroth R W Industrial Hydraulics Delmar Publishers Nueva York 1994 Waldner 1992 Waldner J B CIM Principles of Computer Integrated Manufacturing John Wiley amp Sons 1992 Warszawski e Navon 1996 Warszawski A Navon R Survey of Building Robots Paper presented at 13 ISARC June 1996 Bibliografia 152
14. apoio e inestim vel incentivo Agradecimentos ii Escola Superior de Tecnologia do Instituto Polit cnico de Castelo Branco agrade o as condi es de trabalho de que tenho usufru do Para a minha fam lia nomeadamente os meus pais e a minha irm o meu especial reconhecimento pelo apoio e incentivo sempre demonstrado Finalmente uma ltima palavra de reconhecimento para o meu marido pela disponibilidade que procurou proporcionar me e pelo apoio e ajuda que em todos os momentos me deu Agradecimentos iii RESUMO E PALAVRAS CHAVE A rob tica ao pretender substituir o homem pelas m quinas essencialmente em opera es de trabalho manual intensivo e em tarefas com opera es repetitivas tem no sector da constru o um vasto campo para o desenvolvimento de aplica es pois este sector caracteriza se por ser um grande absorsor de m o de obra Os rob s nomeadamente os manipuladores possuem caracter sticas e um grau de desenvolvimento t cnico que se mostra suficiente para ir ao encontro das solicita es de v rias tarefas da constru o O aproveitamento das potencialidades e virtualidades dos progressos da rob tica conduz a altera es no processo construtivo desde a fase de concep o e projecto at s tecnologias de execu o nos estaleiros das obras Assim investiga se por um lado a actua o dos rob s nos actuais locais de produ o da ind stria da constru o estaleiros e por outro lado a
15. e da capacidade da empresa em os produzir a um custo que justificasse a altera o tecnol gica H no entanto que referir que em muitos pa ses as obras s o sobretudo realizadas por m o de obra de baixo custo recorrendo se muitas vezes imigra o Em Portugal por exemplo depois de d cadas de m o de obra de origem africana verifica se o afluxo de emigrantes de Leste Oper rios Ucranianos Moldavos ou Romenos s o agora numerosos nas nossas obras Todavia a queda nos custos efectivos dos rob s tornando os acess veis para muitos sectores da ind stria faz com que os rob s possam competir com a m o de obra barata A m o de obra inst vel e com um n vel baixo de qualifica o e de forma o o recurso ao trabalho tempor rio e o grande n vel de emprego da popula o estrangeira ou marginal faz baixar a qualidade da execu o das v rias tarefas associadas ao sector da constru o Torna se por isso vantajosa a utiliza o de rob s os quais produzem um trabalho sempre uniforme e consistente sem o aparecimento de momentos de maior ou menor produtividade pr prios do estado de esp rito do oper rio e portanto com qualidade Embora a utiliza o das novas tecnologias no processo produtivo substitua os trabalhadores tal n o pode ser visto numa perspectiva negativa porque as tarefas repetitivas ou perigosas para os seres humanos passam a ser realizadas por m quinas e consequentemente com melhorias do bem estar dos
16. 105 4 2 4 SITUACAO ACTUAL Se compararmos outros sectores industriais com a construc o verificamos que nesta tem sido dif cil implementar rob s As causas est o como vimos na natureza da produ o nos locais de constru o nas condi es de trabalho peculiares variando constantemente de empreendimento para empreendimento e no grande n mero de locais de trabalho necess rios Cada constru o constitui um trabalho realizado com base num projecto elaborado e utilizado na generalidade dos casos uma nica vez ou seja tem um car cter oa i pe E 5 26 Pm unico e equivale a um prot tipo na acepc o industrial Sendo cada obra Unica consequentemente os produtos finais n o s o repetitivos o que faz com que os intervenientes no processo dono de obra o projectista o empreiteiro e os subempreiteiros considerem cada obra como um caso isolado existindo diferen as fundamentais relativamente s v rias constru es com excep o de algumas constru es com projecto tipo escolas hospitais centros de sa de etc Este facto implica capacitar os rob s de maior grau de versatilidade adaptabilidade e autonomia que se traduz no emprego por exemplo de sensores e de software adequado para lhes dar possibilidade de tomada de decis es de acordo com as tarefas a realizar em cada obra Para assistirmos consolida o da automa o na constru o necess rio proceder a altera es principalmente ao n
17. Craig 1989 Sciavicco e Siciliano 1996 Jacobiano Geom trico Considerando n graus de liberdade de um manipulador a equa o da cinem tica pode ser escrita na forma onde q lg se og T o vector das juntas vari veis A posi o e orienta o da ponta do rob variam quando q varia Barrientos et al 1997 Controlo de Rob s 73 O objectivo da cinem tica diferencial encontrar uma rela o entre a velocidade da junta e as velocidades linear e angular da ponta do rob Ou seja expressar a velocidade linear da ponta do rob por p e a velocidade angular por como fun o da velocidade da junta q significa que p J q q velocidade linear o J q q velocidade angular onde J uma matriz 3xn relativa contribui o da junta de velocidade q para a velocidade linear da ponta do rob p enquanto que Jo uma matriz 3xn relativa contribui o da velocidade da junta q para a velocidade angular da ponta do rob Ent o temos a qual representa a Equa o Cinem tica Diferencial de um manipulador O Jacobiano geom trico de um manipulador uma matriz 6xn a qual fun o das v rias juntas Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 74 Derivada da Matriz de Rota o A equa o da cinem tica directa descreve a posi o e orienta o da ponta do rob em fun o das v rias juntas em termos do vector posi o e da matriz de rota o Se o objectivo determi
18. Figura 3 8b Controlo de Rob s 42 Figura 3 8a Rob polar Figura 3 8b Espaco de trabalho do rob polar As vantagens e desvantagens dos sistemas esf ricos ou polares est o sintetizadas no Quadro 3 3 Robo Juntas Coordenadas Revolu o 0 5 Prism ticas z Polar Revolu o 0 Vantagens cobre um volume grande a partir de um dado ponto central os dois movimentos de rotac o podem ser facilmente isolados podem inclinar se no sentido descendente para apanhar objectos Desvantagens modelo cinem tico complexo coordenadas complexas dif ceis de visualizar e controlar movimento linear volume coberto limitado Quadro 3 3 Vantagens e desvantagens dos sistemas esf ricos ou polares 3 3 4 ROBO DE REVOLUCAO As coordenadas s o 3 ngulos de rota o 01 82 03 Figura 3 9a O rob de revolu o constitu do por 3 articula es de revolu o cujos eixos da primeira Controlo de Rob s 43 articula o s o ortogonais e os eixos das outras duas articula es s o paralelos A zona de trabalho mostra se na Figura 3 9b Nof 1999 Figura 3 9a Rob de revolu o Figura 3 9b Espa o de trabalho do rob de revolu o As vantagens e desvantagens dos sistemas de revolu o est o sintetizadas na Quadro 3 4 Rob Juntas Coordenadas Revolu o Revolu o 0 Vantagens Revolu o 05 Revolu o 03 todas as liga es s o rotati
19. Kangari 1993 in Balaguer 2000 4 4 ROB TICA NA PR FABRICA O Vimos no ponto anterior que a possibilidade de incorporar uma percentagem significativa de pr fabrica o obrigaria exist ncia a montante da constru o de uma ind stria com tarefas de fabrico executadas em ambientes controlados e n o nos actuais estaleiros de obras Ao colocar os rob s a realizar tarefas em ambientes fabris onde sobretudo n o se colocam grandes problemas de locomo o e de identifica o dos locais de trabalho deparamo nos com implica es tecnol gicas e econ micas e problemas que correspondem sobretudo aos da pr fabrica o Em termos de implica es tecnol gicas os projectistas teriam que adaptar os seus projectos aos componentes disponibilizados pela pr fabrica o diminuindo o mais poss vel a quantidade de elementos executados em obra A prepara o de obra assumiria ent o uma import ncia crescente Na execu o com o fabrico pr vio de componentes a incorporar nas obras a constru o seria cada vez mais uma ind stria de montagem Em termos de implica es econ micas com o fabrico de componentes a incorporar nas obras a constru o ficaria cada vez mais dependente da ind stria a montante Essas empresas teriam a sua viabilidade dependente do volume de Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 113 encomendas Este por sua vez dependeria criticamente da divulga o dos produtos
20. O DAS TAREFAS Uma an lise atenta das tarefas espec ficas da ind stria da constru o permite apontar algumas possibilidades da utiliza o de rob s neste sector f cil verificar que v rias actividades da constru o envolvem opera es repetitivas aplica o de tijolos reboco pintura etc pelo que a m quina substitui com precis o qualidade e rapidez o homem nestas tarefas Por outro lado ao mesmo tempo que substitui os trabalhadores em opera es de trabalho manual intensivo em muitas circunst ncias est tamb m a substitui lo nas tarefas efectuadas em ambientes de risco O sector da constru o particularmente perigoso e continua a ser o que envolve maior n mero de acidentes de trabalho muitos deles mortais Al m disso a frequ ncia e a gravidade dos acidentes est a aumentar Se tal facto por um lado se deve falta de seguran a a d fices de forma o a prazos de execu o apertados com desrespeito pelas normas de protec o exigidas por outro lado deve se ao elevado grau de risco inerente s tarefas de constru o Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 101 Assistimos a um desrespeito pelas normas b sicas de seguran a pessoal por parte dos trabalhadores Relut ncia no uso do capacete botas apropriadas s tarefas em quest o luvas culos de protec o m scaras respirat rias protec es contra o ru do Os trabalhadores continuam a n o cumprir as normas de
21. PC funcionando como um servidor que disponibiliza ao cliente uma s rie de servi os que constituem a sua fun o prim ria Figura 4 6 e 4 7 Se o rob responder a comandos remotos enviados pelo PC pode iniciar ou encerrar um procedimento de soldadura ser comandado para seguir traject rias simular o processo na sua totalidade ou passo a passo Uma lista completa das fun es implementadas no objecto PCROB apresentada em http robotics dem uc pt norberto pcrob Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 127 while never end switch decision case 1 call routine 1 break case 2 call routine 2 break case 3 call routine 3 break case n call routine n break end switch end while Figura 4 6 O software do controlador do rob a funcionar como servidor Apresenta se de seguida a programa o da rotina routine 1 considerada uma func o que permite ao rob executar o processo de soldadura PROC weld weldon 0 121 WHILE decision1 9401 AND i lt numberpoints AND i gt 1 DO weldpoint i wd iref trj voltage i feed_iref trj_current i wd_href trj_voltage i feed_href trj_current i wd_ref trj_voltage i feed_ref trj_current i IF trj_type i 0 THEN weld_on weldon 1 ENDIF ppos trj i pvel trj_vel i pzone trj_prec i ptype trj_mode i move_gen IF Weldon 1 AND i 1 gt numberpoints OR trj_type it 1 1 THEN weld off weldon 0 END
22. Perspectivar necessidades de investiga o tecnol gica para aplica o no dom nio da constru o civil Participar no desenvolvimento de um prot tipo para a ind stria Apresenta o do Trabalho 3 1 4 DOM NIOS PRIVILEGIADOS DE INVESTIGACAO Do tema desta Tese e dos objectivos gerais a atingir resultam duas grandes linhas de investiga o Por um lado h a considerar a Rob tica Industrial claramente fora das preocupa es correntes e conhecimento dos t cnicos em regra engenheiros civis da ind stria da constru o mesmo daqueles que est o mais ligados produ o Outra linha de investiga o ser a da integra o dessas t cnicas na ind stria da constru o e o desenvolvimento ou altera es tecnol gicas que esta ter de sofrer para que tal seja poss vel Na primeira linha de investiga o est o dom nios como os sensores e actuadores industriais a cinem tica e a din mica de rob s o software de monitoriza o controlo e opera o dos rob s etc Para a consecu o dos objectivos de estudo e estrutura o deste conhecimento a candidata frequentou a disciplina de Rob tica Industrial do Departamento de Engenharia Mec nica da Universidade de Coimbra DEM UC Na segunda linha de investiga o iremos encontrar uma ind stria da constru o onde n o existe um conhecimento detalhado do ambiente de trabalho onde quase sempre inexistente a estrutura o das tarefas a realizar as quais deco
23. Wesley 1998 Capek 1935 Capek K R U R Rossum s Universal Robots F R Borovy Praga 1935 Capek 1966 Capek K R U R Robots Universales Rossum Alianza Editorial Libro de bolsillo Madrid 1966 Choi et al 1998 Choi S K Yoo C D Kim Y S Dynamic Simulation of Metal Tranfer in GMAW Partl Globular and Spray Transfer Mode Welding pp 38 44 Part2 Short Circuit Transfer Mode pp 45 51 Welding Journal 77 1 1998 Cort s 1989 Cort s Cherta M Curso moderno de m quinas el ctricas rotativas Cuatrotomos Editores T cnicos Asociados Barcelona 1989 Bibliografia 147 Craig 1989 Craig John J Introduction to robotics mechanics and control 2 edition Addison Wesley Publishing Company United States of America 1989 Creus 1979 Creus A Instrumentaci n industrial Marcombo Boixareu Editores Barcelona 1979 Denavit e Hartenberg 1955 Denavit J Hartenberg R S A Kinematic Notation for Lower Pair Mechanisms Based on Matrices Journal of Applied Mechanics June 1955 Deppert 1994 Deppert W Dispositivos neum ticos Marcombo Boixareu Editores Barcelona 1994 Engelberger 1980 Engelberger J F Robotics in Practice Kogan Page Londres 1980 Ferrat 1986 Ferrat G Rob tica industrial Marcombo Boixareu Editores Barcelona 1986 Fu et al 1987 Fu K S Gonzalez R C Lee C S G Robotics control sensing vision and intelligence M
24. as ou para rob s pequenos educacionais tamb m s o muito utilizados em dispositivos perif ricos do rob como mesas de coordenadas A sua principal vantagem em rela o aos tradicionais servo motores a capacidade para assegurar um posicionamento simples e exacto podendo rodar de forma cont nua e com velocidade variada Entre os inconvenientes podemos destacar os seguintes o seu funcionamento a baixas velocidades n o est vel tende a sobreaquecer quando trabalha a velocidades elevadas e a sua pot ncia nominal e a sua precis o ngulo m nimo de rota o s o baixas Os motores de corrente alterna n o t m tido aplica o no campo da rob tica devido dificuldade do seu controlo Pesquisa Bibliogr fica 30 Apresenta se seguidamente um quadro comparativo Quadro 2 1 que permite uma leitura simples das vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de actuadores usados na rob tica Barrientos et al 1997 Pneum ticos Hidr ulicos El ctricos Energia ar comprimido 5 10 flu do 50 100 bar corrente el ctrica bar Vantagens baratos r pidos precisos r pidos alta relac o fi veis robustos pot ncia peso f cil controlo auto lubrificantes silenciosos alta capacidade de carga estabilidade frente a cargas est ticas Desvantagens dificuldade de controlo dif cil manuten o pot ncia limitada cont nuo instala o especial
25. cnicas as m quinas usadas tornam se obsoletas ou a sua adaptac o ao novo processo e produto torna se muito dispendioso pelo que o rendimento posterior ao ciclo de vida do produto praticamente nulo Contrariamente o rob dadas as suas caracter sticas uma ferramenta suscept vel de adaptar se a novas e diversas aplicag es e processos de fabricag o com baixos custos Barrientos et al 1997 Os rob s s o fortes capazes de manusear grandes pesos e aplicar grandes for as Podem trabalhar sete dias por semana e vinte e quatro horas por dia n o necessitando de intervalos para caf ou refei o nem para dormir Tamb m n o sofrem de fadiga raramente adoecem e produzem um trabalho sempre igual Salant 1990 Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 103 4 2 3 PROBLEMAS DE INSTALACAO DE ROB S NOS ESTALEIROS Os estaleiros s o elementos de suporte imprescind veis realiza o dos empreendimentos Efectivamente qualquer constru o inicia se pela implanta o do estaleiro de obra Deste fazem parte quer materiais quer equipamentos indispens veis execu o das diferentes tarefas que comp em uma obra Neste sentido os estaleiros s o locais bastante din micos devido s altera es sistem ticas dos postos de trabalho e do ambiente que os envolve Os locais de trabalho s o adversos uma vez que neles existem superf cies irregulares escadas v os sobre o vazio v os de entrada apertados valetas
26. e variadas De facto a actividade da constru o tem a particularidade de se definir pela desorganiza o e uma certa improvisa o falta muitas vezes o planeamento a racionaliza o a normaliza o e a programa o das actividades A estrutura produtiva da ind stria da constru o tamb m muito complexa e geralmente sob a al ada de um empreiteiro geral temos uma grande quantidade e diversidade de subempreiteiros e outros prestadores de servi os Muitos deles constituem pequenas empresas sem capacidade econ mica e produtiva para fazer progressos tecnol gicos Conclus es e Desenvolvimentos Futuros 142 Por outro lado as obras e respectivos estaleiros ao caracterizarem se por locais n o estruturados representam um exemplo e um desafio mobilidade e reconhecimento do ambiente de trabalho por parte dos rob s Superar essas dificuldades implicaria que os rob s tivessem capacidades de locomo o um certo grau de intelig ncia vis o que estivessem preparados para trabalhar no exterior movendo se em locais dif ceis e nao protegidos capazes de manusear pecas pesadas e de grandes dimens es bem como materiais fr geis e dada a grande dispers o geogr fica das obras devem ser f ceis de transportar Com a tecnologia existente no dom nio da rob tica poss vel superar cada uma destas dificuldades A viabilidade econ mica de cada uma teria no entanto de ser oferecida a um custo justificado pelo aumento d
27. entanto por imposi o da tecnologia dispon vel na empresa qual se destina a aplica o substituiu se os rob s da ABB por rob s FANUC os quais utilizam uma linguagem KAREL A 16 De referir que todas as linguagens de programa o de rob s envolvem o ambiente da programac o o modelo do ambiente tipo de dados entradas sa das Veja se Lozano 1982 Blume e Jakob 1986 e Craig 1989 Utilizac o de Rob s na Industria da Construc o 124 digitais e anal gicas controlo do movimento e controlo do fluxo de execu o do programa Um ambiente de programa o adequado permite aumentar a produtividade da pr pria programa o O sistema de programa o de rob s deve ter uma boa capacidade de execu o passo a passo tendo em conta a interac o em tempo real que existe entre os diferentes equipamentos com o controlador do rob O modelo do ambiente a representa o que o rob tem dos objectos com os quais interactua nomeadamente as caracter sticas geom tricas posi o e orienta o dos objectos a forma as dimens es o peso etc Para definir a posi o e orienta o de cada objecto associa se lhe um sistema de refer ncia de modo que a posi o e orienta o deste sistema de refer ncia esteja referenciado a um sistema base No presente caso o sistema de refer ncia est localizado na tocha de soldadura objecto referenciado a um sistema base situado na mesa de trabalho Os d
28. etc Quando o rob tem que realizar tarefas que n amp o consistem em manipular objectos es 16 Vd tem que se recorrer ao uso de ferramentas especializadas especificamente desenhadas para cada tipo de trabalho O tipo de ferramenta com que se pode dotar um rob muito diversificado Normalmente a ferramenta est fixada rigidamente no extremo do rob o qual est por vezes equipado com um dispositivo de altera o autom tico que Ihe permite usar diferentes ferramentas durante a realiza o da tarefa Barrientos et al 1997 2 6 2 ACTUADORES Os actuadores actuam nas articulagdes juntas para as mover podendo ser rotacionais ou lineares consoante produzem respectivamente um movimento girat rio ou em linha recta Os actuadores geram o movimento dos elementos do rob segundo as ordens dadas pela unidade de controlo Podem ser el ctricos accionados por motores el ctricos hidr ulicos accionados por l quido comprimido ou pneum ticos accionados por gases comprimidos Para seleccionar o actuador mais conveniente e apropriado deve se ter em conta as suas caracter sticas espec ficas Na pinga devem se situar sensores para detectar o estado da mesma aberto ou fechado Pode se incorporar na pin a outro tipo de sensores para controlar o estado da pe a sistemas de vis o que proporcionam dados geom tricos dos objectos detectores de proximidade sensores de esforcos etc Barrientos et al 1997 Ferrat
29. f ceis de utilizar e detentores de grandes potencialidades tais como a possibilidade de programar por objectos utilizando ferramentas visuais utiliza o de objectos desenvolvidos com componentes ActiveX para rob s e o ambiente de programa o familiar uma vez que possibilita a utiliza o de computadores pessoais 2 A utiliza o de sistemas CAD Projecto Assistido por Computador permite aos programadores de rob s destinados a opera es de soldadura reduzir os custos de prepara o do processo produtivo Embora CAD permita obter os dados de uma pe a mas esses dados n o correspondem sua geometria real devido s toler ncias e prepara o insuficiente da pe a No entanto os dados CAD podem ser usados como uma primeira informa o porque quando decorre a opera o de soldadura se os sensores detectarem poss veis desvios pode procede se ent o s respectivas correc es Santos e Quintino 1992 Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 132 Painel de Definic o de Soldadura Para criar e manipular ficheiros de soldadura pontos de defini o da traject ria de soldadura a efectuar tem que se desenvolver uma aplicac o que contenha a definic o completa da soldadura que se pretende realizar Figura 4 12 Deste modo est o desenvolvidos meios para criar e editar ficheiros de soldadura e se necess rio alterar ou ajustar os pontos de uma traject ria movimentando o rob para a posi o d
30. fascinado por m quinas capazes de desempenhar executar e imitar tarefas realizadas pelo homem Sen o vejamos Os antigos Eg pcios adicionaram bragos mec nicos s est tuas dos seus Deuses Estes bra os eram operados por Sacerdotes os quais clamavam para agirem sob inspira o dos Deuses Os Gregos constru ram est tuas movidas hidraulicamente ilustrando assim a hidr ulica como ci ncia No s culo XVII foi constru do em Espanha o Tocador de Viola desenhado por Leonardo da Vinci No s culo XVIII Jacquet Droz construiu v rios objectos mec nicos Pesquisa Bibliogr fica 8 Na China entre os s culos XVIII e XIX constru ram se bonecas que transportavam o ch Durante o s culo XVII complexos bonecos mec nicos aut matos foram constru dos na Europa Estes representavam imita es das ace es humanas e animais e foram um sucesso junto do p blico McKerrow 1991 Ao longo da hist ria podemos referir nomes como Ctesibius 270 a c que projectou os rel gios de gua com figuras m veis Pensa se que estes tenham sido os primeiros trabalhos sobre rob s Por sua vez Leonardo Da Vinci 1452 1519 desenhou e projectou mecanismos de transmiss o de movimentos e alguns investigadores pressup em que tenha projectado os estudos para um rob de aspecto humano um cavaleiro andante com uma armadura Germano capaz de mover a cabe a e bra os levantar se e sentar se abrir e fechar o maxilar da armadura emitir so
31. instala o especial filtros elimina o compressor filtros ar ruidosos fugas frequentes caros Quadro 2 1 Compara o entre os diferentes tipos de actuadores 2 6 3 SENSORES Os sensores tacto vis o press o proximidade etc d o informa o de estado do manipulador sensores internos e do ambiente exterior sensores externos Os sinais de entrada dos sensores do rob incluem dados de posi o das articula es da posi o da garra se est aberta ou fechada do sensor de vis o se o rob tiver vis o e dados do sensor de tacto da ferramenta se o rob tiver sensores de tacto ou for a S o frequentemente codificadores rotacionais ou lineares porque codificam informa o sobre as posi es das articula es de forma a serem facilmente enviadas como sinais ao controlador do rob Barrientos et al 1997 Pesquisa Bibliogr fica 31 Para que um rob realize tarefas com adequada precis o velocidade e intelig ncia preciso que tenha conhecimento tanto do seu pr prio estado como do estado do seu meio envolvente A informa o relacionada com o seu estado fundamentalmente a posi o das suas articula es conseguida atrav s dos sensores internos a informa o do estado do seu meio envolvente adquire se com 19 sensores externos A informa o que a unidade de controlo do rob pode adquirir sobre o estado da sua estrutura mec nica obtida atrav s dos sensores
32. internos relativa sua posi o e velocidade Em rob s industriais os sensores internos mais utilizados s o os que obt m informa o de posi o velocidade e de presen a Pall s 1989 Nachtigal 1990 Assim os sensores de posi o empregam se para o controlo de posi o angular Os sensores de velocidade permitem a capta o da velocidade necess ria para melhorar o comportamento din mico dos actuadores do rob Os sensores de presen a s o os que possibilitam detectar a presen a de um objecto dentro de um raio de ac o determinado ou seja s o auxiliares dos detectores de posi o para indicar os limites de movimento das articula es e permitir localizar a posi o de refer ncia Esta detec o pode fazer se com ou sem contacto com o objecto 2 6 4 SISTEMA DE CONTROLO O sistema de controlo um sistema computacional que permite o controlo a supervis o da estrutura manipulador para al m de fornecer o ambiente de programa o A unidade de controlo representa o c rebro do rob N o mais do que um computador que recebe sinais de entrada dos sensores do rob e transmite sinais de sa da para os actuadores 9 A informa o sobre sensores externos pode ser pesquisada em textos e bibliografia especializada Para sensores de for a veja se Creus 1979 para os de tacto veja se Russel 1990 para a vis o artificial veja se Gonzalez e Woods 1992 Pesquisa Bibliogr fica 32 Cap tul
33. longo da junta i Controlo de Rob s 76 enquanto o eixo i l tem origem ao longo do eixo da junta i Figura 3 20 Sciavicco e Siciliano 1996 Figura 3 20 Caracterizac o de um elo i gen rico de um manipulador Os vectores posi o pi e pi t m origem no eixo 1 1 e i respectivamente O vector ri representa a posi o da origem do eixo i em rela o a i 1 expressa no eixo i i l i 1 Ent o podemos escrever m il Pi Pia tRia Gi Em Lil SO Pi Pia Ria Baa tO Ria baa P tV t9 Gai a qual representa a velocidade linear do elo i em fun o da velocidade de transla o e rota o do elo i 1 De salientar que v a velocidade na origem do x eixo 1 em relac o origem do eixo 1 1 expresso no eixo da base Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 77 Em rela o velocidade angular temos R R Re aplicando a express o R t S t t obtemos S o R S o R R S oi R 1 i 2 E e E onde 0 a velocidade angular do eixo i em rela o ao eixo i 1 Assim JR S o _ R S R oft JR 1 1 o que conduz a gt E um 0 O ER 401370140 e representa a velocidade angular do elo i em fun o da velocidade angular do elo 1 1 e o elo i em rela o ao elo 1 1 Sciavicco e Siciliano 1996 Dependendo do tipo de junta as equag es da velocidade linear do elo i e velocidade angular do mesmo elo adquirem diferentes express es Ou seja 1 Junta prism
34. m todo de Newton Euler temos a formula o din mica de Lagrange Enquanto que a formula o Newton Euler faz um equil brio de for as Lagrange faz uma formula o baseada na energia O modelo din mico de um manipulador descreve a rela o entre o momento aplicado na junta e o movimento da estrutura Com a formula o de Lagrange as equa es de movimento podem ser determinadas independentemente do sistema de coordenadas de refer ncia Iniciando com a express o da energia cin tica de um manipulador temos 1 1 k 5m VE Vo ET o I o em que o primeiro termo a energia cin tica devido velocidade linear do elo Z x centro de massa e o segundo termo a energia cin tica devido velocidade angular do elo Craig 1989 A energia cin tica do manipulador a soma da energia cin tica de cada elo individual a E DT s A express o da energia cin tica pode ser apresentada de uma forma escalar desde que V e sejam fun es de 0 e 9 assim q Ci i J k 6 50 M 0 em que M 0 matriz de massa nxn 18 Veja se Fu et al 1987 Craig 1989 e Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 91 A formula o din mica Lagrangeana o meio de deriva o da equa o do movimento a partir de uma fung o escalar chamada Lagrangeano a qual definida pela diferenga entre a energia cin tica e a energia potencial Deste modo o Lagrangeano do manipulador definido por L 6 6 x
35. ncia humana mas desprovidos de sentimentos Sciavicco e Siciliano 1996 A Asimov e sua obra liter ria atribui se a cria o e divulga o do termo Robotics Rob tica Em 1950 Asimov publicou o seu livro Robot o qual gira em torno da intelig ncia humana dos rob s de acordo com as seguintes Leis da Rob tica que pela primeira vez enunciou na revista Galaxy Science Fiction e que publicou em 1945 1 Lei Um rob n o pode prejudicar um ser humano ou quando inactivo deixar um ser humano exposto ao perigo 2 Lei Um rob deve obedecer s ordens dadas pelo ser humano excepto se tais ordens estiverem em contradi o com a 1 Lei 3 Lei Um rob deve proteger a sua pr pria exist ncia desde que essa protec o n o entre em conflito com a 1 e a 2 Lei McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 Barrientos et al 1997 Em 1985 Asimov acrescenta uma 4 Lei que diz que um rob nao pode causar mal humanidade ou por falta de ac o permitir que a humanidade sofra perigos Esta lei de maior prioridade que a primeira a qual deve ser mudada nesse 2 Veja se Capek 1935 e Capek 1966 Veja se Asimov e Frenkel 1985 Pesquisa Bibliogr fica 10 sentido d o primado ao bem comunit rio sobre o bem individual Barrientos et al 1997 Para concluir esta perspectiva hist rica assinala se que a rob tica esteve na sua g nese associada fic o cient fica pois as palav
36. s o x y O tal como se mostra na Figura 3 7a A zona de trabalho est representada na Figura 3 7b O rob cil ndrico difere do cartesiano porque uma das articula es prism ticas substitu da por uma articula o de revolu o Sciavicco e Siciliano 1996 Figura 3 7a Rob cil ndrico Figura 3 7b Espa o de trabalho do rob cil ndrico Controlo de Rob s 41 As vantagens e desvantagens dos sistemas cil ndricos est o patentes no quadro seguinte Rob Juntas Coordenadas Cil ndrico Revolu o 0 Vantagens Prism ticas x Prism ticas y sistema de coordenadas f cil de visualizar e calcular modelo cinem tico simples movimentos lineares onde se podem utilizar sistemas hidr ulicos os quais podem fornecer pot ncias elevadas bom acesso a cavidades e aberturas Desvantagens rea de trabalho restrita n o pode atingir o volume cil ndrico perto do suporte vertical ou da base as juntas prism ticas dificultam a veda o ao p e l quidos possibilidade de interfer ncias na rea de trabalho Quadro 3 2 Vantagens e desvantagens dos sistemas cil ndricos 3 3 3 RoB POLAR As coordenadas deste tipo de rob s o z 01 0 tal como se mostra na Figura 3 8a O manipulador polar difere do cil ndrico porque uma das duas juntas prism ticas substitu da por uma junta de revolu o Sciavicco e Siciliano 1996 A zona de trabalho pode se visualizar na
37. seguran a colectivas de modo a tornar o ambiente de obra menos perigoso nomeadamente na aplica o de guarda corpos nas plataformas e andaimes aberturas protegidas locais de trabalho e os acessos correctamente iluminados e com protec es escava es entivadas e contornadas com rodap s pavimentos de trabalho com as beiras que d o para o vazio protegidas com guarda corpos Tamb m o elevado grau de risco inerente a algumas tarefas realizadas em obra uma oportunidade para recorrer utiliza o de rob s Veja se realiza o de trabalho em alturas elevadas expondo os trabalhadores a quedas de altura as quedas de objectos soterramentos afundamentos e riscos associados ao contacto e utiliza o de produtos qu micos t xicos ou radia es exposi o a elevadas temperaturas 4 2 2 POSSIBILIDADES DOS ROB S A implementa o de um rob industrial no processo de constru o exige um estudo pr vio e detalhado do custo desde a sua aquisi o at sua efectiva amortiza o ponderando as vantagens e inconvenientes da sua introdu o Se um facto que a justifica o econ mica para o emprego de rob s determina a sua viabilidade e rentabilidade tamb m um facto que paralelamente ao custo com a aquisi o ferramentas e equipamentos e instala o do rob em f brica temos que ponderar os benef cios que a utiliza o do rob ou a automatiza o em termos gerais comporta Utiliza o de Rob s na
38. t cnicas como a Intelig ncia Artificial Neste sentido pensa se que num futuro pr ximo se assistir introduc o de novos sensores que permitir o formas de controlo mais sofisticadas e uma melhor integra o do rob no sistema produtivo Num futuro mais distante aliada a esta capacidade sensorial aparecer o controladores cada vez mais aut matos e inteligentes que aumentar o ainda mais a flexibilidade dos actuais rob s 2 6 ROB S MANIPULADORES INDUSTRIAIS Neste ponto pretendemos analisar as tecnologias existentes no dom nio dos rob s manipuladores industriais os que actualmente s o mais utilizados na ind stria O Robot Institute of America considera que um rob industrial uma m quina multifuncional reprogram vel projectada para movimentar materiais componentes ferramentas ou dispositivos a partir de um conjunto de traject rias program veis com o objectivo de executar um conjunto pr determinado de tarefas Assim um rob industrial uma m quina vers til e flex vel de geometria vari vel program vel reconfigur vel com facilidade de liga o e auto adaptabilidade ao meio ambiente Figura 2 2 1 Veja se Sciavicco e Siciliano 1996 Pesquisa Bibliogr fica 21 Figura 2 2 Alguns rob s industriais dispon veis Os rob s manipuladores industriais s o elementos t picos de sistemas flex veis de produ o SFP Neste sentido no mbito da automatiza o industrial ut
39. tarefa Outro modo de estabelecer a comunica o do rob com o seu ambiente de trabalho consiste na comunica o atrav s de rede local Esta comunica o permite integrar o rob num sistema inform tico geral em que o seu funcionamento controlado mediante um computador externo Os sistemas RAPID de ABB e o KAREL da FANUC s o exemplos de sistemas com esta capacidade Na programa o do rob deve se especificar o seu movimento ponto de destino tipo de traject ria a realizar a velocidade m dia e a precis o com que deve chegar ao ponto de destino Neste sentido muitos sistemas de programa o definem pontos posi o e orienta o especificando a precis o com que o rob deve alcan ar determinado ponto Assim o controlo cinem tico e din mico do rob recebe as refer ncias de posi o e orienta o provenientes do programa n o admitindo uma nova refer ncia se o extremo do rob ainda n o alcan ou a refer ncia em vigor com a precis o indicada Por exemplo a aplica o de software KAREL que integra os rob s FANUC utiliza os comandos move to move near move away move about move relative move axis para movimentar o rob ponto a ponto para um movimento em traject ria cont nua recorre ao comando move along Permite tamb m programar a sua acelera o ou desacelera o precis o etc ainda poss vel atrav s da linguagem KAREL aceder a ficheiros de base de dados utilizando rotinas quer de procedimen
40. tempos de vida curtos a baixo pre o e com maior qualidade A ind stria est assim submetida a uma press o cont nua no sentido de aumentar a produtividade e realizar o produto final com qualidade uniforme Essa press o do mercado leva a que a ind stria tenha que apostar cada vez mais em Sistemas Flex veis de Produ o SFP suscept veis de uma f cil adapta o s altera es e at mesmo introdu o de novos produtos com qualidade elevada e constante em pequena m dia escala e permitindo ao pr prio cliente a defini o do produto que pretende Estes SFP s o preferencialmente sistemas computorizados onde a instala o de rob s manipuladores fundamental devido sua flexibilidade pois s o sistemas reprogram veis sendo adapt veis a v rias fun es em que a sua grande precis o e repetitibilidade n o s o afectadas Por outro lado a transi o de processos totalmente manuais para processos aut matos ou semi aut matos permite aumentar a produtividade sendo igualmente esta capacidade a chave do sucesso dos sistemas robotizados Assim o rob industrial converteu se em muitos casos na solu o ideal para a automatiza o de sistemas de produ o permitindo sistemas muito flex veis e a introdu o de frequentes modifica es nos produtos tudo isto com um custo m nimo A ind stria v se obrigada a colocar de parte os Sistemas de Produ o R gidos virados para a produ o em massa e prev
41. trabalhadores Por outro lado em virtude da competitividade a que est sujeita a ind stria torna se cada vez mais dif cil mant la custa de m o de obra barata e n o qualificada pelo que a automatiza o da ind stria simultaneamente um crit rio de sobreviv ncia do sector industrial e uma forma de manter postos de trabalho Independentemente destas implica es importa salientar que alguns sistemas rob ticos nomeadamente os rob s manipuladores mostram potencialidades de aplica o imediata neste tipo de ambientes da pr fabrica o para a ind stria da constru o Os rob s manipuladores possuem caracter sticas e um grau de desenvolvimento t cnico que se mostram suficientes para ir ao encontro das Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 114 solicita es das tarefas em causa Neste dom nio o avan o da tecnologia rob tica pode aplicar se a bastantes processos de constru o Os rob s industriais manipuladores s o essencialmente m quinas com controlo de posi o e movimento s quais se podem adaptar ferramentas de trabalho Para al m disso t m uma precis o elevada grande velocidade de execu o admitem v rios interfaces de comunica o diversas possibilidades de input output controlo de for a vis o Pires 2000 no entanto necess rio proceder sua integra o e adapta o a necessidades de fabrico espec ficas quer em termos das suas ferramentas de trabalho que
42. vel da integra o ao n vel da pr fabrica o Ao n vel da integra o devemos ter em conta a percep o do projecto de constru o a diversidade dos projectos com os mesmos standards estandardiza o de software ao n vel da pr fabrica o apostando na produ o em f brica estandardiza o de componentes e novos materiais pr fabricados Ueno 1994 e Warszawski e Navon 1996 consideram que na ind stria da constru o n o se produz em massa esta uma ind stria monoproduto com menos tarefas repetitivas que o trabalho fabril Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 106 A par destes problemas inerentes constru o deparamo nos com outras barreiras automatiza o da ind stria da constru o Por um lado de natureza econ mica o elevado custo de um sistema rob tico e por outro lado de natureza t cnica a elevada sofistica o de um sistema de controlo do rob em especial o procedimento de programa o Ent o deve se actuar no sentido de baixar o pre o tornar mais f cil o seu uso e aumentar o n vel de automatiza o De referir tamb m que a estrutura da ind stria da constru o relativamente complexa Sob a al ada de um empreiteiro geral temos os subempreiteiros e outros prestadores de servi os muitos deles constituindo pequenas empresas sem capacidade econ mica e produtiva para fazer progressos tecnol gicos Estes s o sem d vida dois grandes desaf
43. vezes pelo cliente Tal incompat vel com sistemas de produ o r gidos vocacionados para a produ o em massa A automa o flex vel ou o desenvolvimento de sistemas flex veis de produ o baseiam se em sistemas integrados e computorizados constitu dos por v rios equipamentos interligados atrav s de uma Rede Local Industrial RLD e organizados segundo uma rede hier rquica do tipo CIM Computer Integrated Manufacturing Nessa rede os equipamentos de produ o est o organizados em A automatiza o r gida constitu da por m quinas dedicadas de elevada capacidade de produ o est orientada para a produ o em massa A necessidade de manufactura de grandes quantidades de produto com alta produtividade e qualidade requerem o uso de sequ ncias de opera es f sicas para serem executadas por m quinas especiais Utilizam se assim m quinas ditas dedicadas s para uma determinada produ o Esta forma de automatiza o n o se adapta aos nossos dias porque a enorme diversidade de produtos o desaparecimento de fronteiras comerciais aliado exig ncia de maior qualidade a mais baixo pre o torna o ciclo de vida dos produtos muito curto Sciavicco e Siciliano 1996 Pesquisa Bibliogr fica 12 C lulas Flex veis de Produ o CFP existindo mecanismos de transporte entre as v rias CFP Kusiak 1986 Waldner 1992 A principal vantagem dos SFP a flexibilidade resultante da sua constitui o
44. x y z como se v na Figura 3 6a A Figura 3 6b mostra a zona de trabalho de um rob de coordenadas cartesianas Figura 3 6a Rob cartesiano Figura 3 6b Espa o de trabalho do rob cartesiano Os rob s cartesianos utilizam 3 juntas prism ticas em que os eixos s o ortogonais S o muito usados para tarefas de manuseamento como paletiza o armazenagem e tarefas de maquina o tais como jacto de gua e corte por lazer em que os movimentos do rob abrangem grandes superf cies Por outro lado os seus eixos principais podem ser organizados e dimensionados de acordo com as tarefas a realizar Nof 1999 As vantagens e desvantagens dos sistemas cartesianos est o sintetizadas no Quadro 3 1 Controlo de Rob s 40 Robo Juntas Coordenadas Cartesiano Prism ticas x Prism ticas y Prism ticas z Vantagens movimento linear segundo 3 direc es f cil de visualizar modelo cinem tico simples estrutura r gida uso de equipamento pneum tico de baixo custo para opera es de pick and place Desvantagens requer um grande volume de opera es rea de trabalho menor que o volume do rob de todos os sistemas de coordenadas o que requer maior superf cie as superf cies de movimento expostas necessitam ser cobertas ou revestidas contra atmosferas corrosivas Quadro 3 1 Vantagens e desvantagens dos sistemas cartesianos 3 3 2 RoB CIL NDRICO As coordenadas deste sistema
45. 0 W obt m se pelas seguintes rota es elementares Rota o do eixo de refer ncia de um ngulo y em torno de x yaw matriz de rota o R y Rota o do eixo de refer ncia de um ngulo 9 em torno de y pitch matriz de rota o Ry 9 Rota o do eixo de refer ncia de um ngulo em torno de z roll matriz de rota o R q O resultado da orienta o obtido pela composi o de rota es em rela o ao eixo fixo Sciavicco e Siciliano 1996 dado por cosQ sing OJ cos O sin l O 0 Rppy R g R 3 R M w sing cosp 0 0 1 O 0 cos sin P 0 0 l sin2 O cos2 0 smP cos Cos Coy Sly Coy SS SC 4 958 CC S5 5C CS CS CC Em gue Cy COSD Sy sing Cy Cosv 5 sin 2 Cy cosV s sin Controlo de Rob s 58 3 4 4 QUAT RNIOS Quat rnios s o formas de representar a orienta o que podem ser utilizados como ferramenta matem tica de grande versatilidade computacional para trabalhar com rota es e orienta es Um Quat rnio O constitu do por quatro componentes qo q1 q2 q3 conjunto de quatro n meros reais que representam as coordenadas de um Quat rnio numa base fe 1 j kJ frequente designar a parte escalar do Quat rnio referente componente em e de qo e a parte vectorial s restantes componentes Deste modo um Quat rnio pode se representar como Barrientos et al 1997 Q lg q d q Is v gt A A A V q i q j q k do a
46. 1999 Controlo de Rob s 63 3 5 1 CINEM TICA DIRECTA A resolu o do Problema Cinem tico Directo consiste em encontrar as rela es que permitem conhecer a localizac o espacial do extremo do rob a partir dos valores das coordenadas das suas articula es De um modo geral o Problema Cinem tico Directo reduz se a encontrar uma matriz de transforma o T que relaciona a posi o e orienta o do extremo do rob em rela o ao sistema de refer ncia fixo situado na base do mesmo Barrientos et al 1997 Para a resoluc o do respectivo problema directo podemos utilizar as matrizes de transforma o o algoritmo de Denavit Hartenberg ou os Quat rnios Consideremos um manipulador constitu do por n 1 elos ligados por n juntas A cinem tica directa determina a posi o e a orienta o da ponta do rob como uma fun o de juntas vari veis Como j foi referido a posi o e orienta o de um corpo em rela o a um eixo de refer ncia descrita pela posi o do vector de origem e vectores unit rios ligados ao respectivo corpo Sciavicco e Siciliano 1996 Em rela o ao sistema de refer ncia Og XoYoZo a fun o cinem tica directa expressa pela matriz de transforma o em que q nx1 vectores de juntas vari veis n s a s o vectores unit rios do eixo de refer ncia da ponta do rob e p o vector posi o da origem do sistema de refer ncia em rela o origem do sistema de refer
47. 6 u 0 A equac o do movimento do manipulador dada por dt 90 20 onde T o vector de momentos aplicados junta No caso do manipulador a equa o dada por dtd6 90 90 d ok dk Ou 3 6 5 FORMULA O DA DIN MICA DE UM MANIPULADOR EM ESPA O CARTESIANO A equa o da din mica tem sido desenvolvida em rela o derivada da posi o e tempo dos ngulos das juntas de um manipulador na forma t M 0 v 9 0 G 9 F 0 0 Y a Esta equa o permite determinar a acelera o da ponta do rob no espa o cartesiano para forcas e momentos cartesianos aplicados ponta do rob O vector Controlo de Rob s 92 momento t a soma de todas as forgas aplicadas na junta e M 0 matriz de massa in rcia v 0 6 for as centr fugas e coriolis G 0 for as grav ticas F 6 6 forcas de atrito e Yio for as n o modelizadas ex perturba es Craig 1989 No modelo din mico que reflecte a realidade f sica do equipamento s o importantes as for as de fric o Um dos modelos para as for as de fric o a fric o viscosa na qual o momento devido fric o proporcional velocidade do movimento da junta v6 T fricc o onde v a constante de fric o de viscosidade O outro tipo de for a importante Z para um modelo simples por fric o o caso da fric o Coulomb A fric o Coulomb constante excepto para um sinal dependente da velocida
48. CARA Figura 3 10b Espaco de trabalho do SCARA E Veja se Fu et al 1987 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 Nof 1999 e Sandler 1999 SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm Pires 2002 Controlo de Rob s 45 3 4 POSICAO E ORIENTACAO DE UM CORPO R GIDO Ll 4 2 Ro nd Para localizar um corpo r gido no espa o necess rio representar a sua posi o e orienta o em rela o a um eixo de refer ncia como se pode ver na Figura 3 11 Figura 3 11 Posi o e orienta o de um corpo r gido Quando se trabalha no espa o com 3 dimens es um vector definido em rela o a um sistema ortogonal de refer ncia O xyz em que x y z s o as componentes vectoriais em rela o aos eixos de refer ncia A posi o do ponto O no corpo r gido em rela o ao sistema ortogonal de refer ncia O xyz dada pela seguinte express o Sciavicco e Siciliano 1996 1 1 o 0 F0 0 t em que o 0 O s o componentes do vector o ao longo do eixo de refer ncia A posi o O pode ainda ser representada por uma matriz vectorial Para um estudo mais aprofundado da localiza o de um corpo r gido no espa o consultar Groover et al 1986 Fu et al 1987 Craig 1989 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 Controlo de Rob s 46 Na representa o da orienta o de um corpo r gido devemos ainda considerar um eixo ortogona
49. IF 1 i 1 ENDWHILE IF Weldon 1 THEN weld_off weldon 0 ENDIF ENDPROC Figura 4 7 M dulo de programac o que permite ao rob executar a tarefa de soldadura rob a funcionar como servidor Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 128 O software do controlador de rob s apresenta se estruturado em m dulos cabendo a cada um o desempenho de determinadas tarefas O controlador do rob ABB disp e por exemplo do m dulo PROC WELDO cujo o c digo de programag o se apresentou Figura 4 7 composto pelo programa de soldadura que executado quando se pretende soldar pe as do m dulo PROC MOVE GENO que se destina execu o do tipo de movimento pretendido Painel de Controlo do Rob O painel de controlo do rob Figura 4 8 foi desenvolvido para mostrar algumas das fun es do painel de controlo de um manipulador industrial de modo a permitir ao utilizador ligar desligar o motor Motor ON Motor OFF iniciar parar programas Prepare Program Run Program Halt Program carregar ou apagar m dulos de programas do controlador do rob Delete Prog Load Prog Atrav s do servidor RPC poss vel receber mensagens eventos ou seja chamadas RPC feitas pelo controlador do rob quando ocorrem acontecimentos Robot Control Panel In xl Controls m Robot Selection Robot Detected Init Disable Motor ON R Run Program Continuously IRB1400 1428 Bye babylon v O Motor OFF x Halt Prog
50. Ind stria da Constru o 102 Aumento da qualidade O rob realiza a tarefa de maneira uniforme e consistente Aumento da produtividade O aumento da produtividade uma consequ ncia de realizac o de trabalho de forma mais r pida com menos interrup es e durante v rios turnos sem problemas acrescidos Apropriado para processos de fabrica o com ciclos de vida curtos N o podemos esquecer que um dos factores que definem um rob industrial o ser uma ferramenta program vel e flex vel e portanto suscept vel de ser utilizada em diversas aplica es e em processos de n i 3 fabrica o com ciclos de vida curtos Deste modo em defesa da aplicabilidade de rob s no sector da construc o est o seu contributo para o aumento da produtividade e qualidade da construg o pois os rob s s o m quinas incans veis trabalhando continuamente mantendo a precis o da execu o das tarefas bem como a produtividade e a qualidade do trabalho final Tal facto n o se verifica no trabalho realizado manualmente porque contrariamente ao rob o homem tem necessidade de fazer pausas e o seu grau de fadiga vai aumentando ao longo do dia de trabalho o que se reflecte na precis o produtividade e muitas vezes na qualidade da tarefa realizada Normalmente a vida dos equipamentos de fabrica o coincide com a do produto que se est a fabricar ou seja quando muda o produto quer por quest es de mercado quer por necessidades t
51. Ind stria da Constru o 117 O processo MIG MAG Metal Inert Gas Metal Active G s o que se pretende usar no processo de soldadura robotizado a desenvolver porque apresenta uma boa capacidade de ajuste f cil de automatizar e com elevado grau de adaptabilidade a soldaduras de diversos metais ferrosos e nao ferrosos Segundo Kalpakjian o processo MIG MAG um processo t rmico que utiliza uma fonte exterior de g s que serve de protec o ao banho de fus o O material de adi o depositado atrav s de um arco el ctrico estabelecido entre a peca a soldar e um el ctrodo s lido cont nuo arame o qual alimentado pela tocha ferramenta de soldadura Dos par metros principais de soldadura a corrente a tens o a velocidade de soldadura o avan o do fio arame o g s de protec o e o comprimento do arco resulta a estabilidade e a qualidade das soldaduras Choi et al 1998 Jones et al 1998 Corrente El ctrica x Arame X Metal de Adic o pe pro a Atmosfera Protectora Arco El ctrico Banho de Fus o Metal de Base Figura 4 3 Processo de soldadura MIG MAG Pires et al 2001 12 O processo MIG um processo de soldadura no qual a atmosfera protectora constitu da por gases ou mistura de gases inertes como o rgon e o h lio o processo MAG igualmente um processo de soldadura mas a atmosfera protectora constitu da por misturas activas como di xido de c
52. NIPULADOR O manipulador estrutura mec nica composto por uma sequ ncia de corpos r gidos elos unidos por meio de articula es juntas e por um elemento terminal a m o do rob Assim do manipulador fazem parte os segmentos ou elos que s o as partes r gidas do bra o de um rob e asseguram o posicionamento e mobilidade As articula es ou juntas s o as partes do bra o do rob que permitem uma liga o m vel entre dois segmentos o punho que lhe confere a orienta o o elemento terminal m o do bra o do rob que permite a execu o de uma tarefa espec fica Em termos mec nicos um rob composto por um bra o e um punho onde est colocada uma ferramenta A ferramenta serve para agarrar uma pe a do trabalho em curso ou executar tarefas no seu volume de trabalho O volume de trabalho o espa o dentro do qual o bra o do rob pode manipular o punho O punho tem em geral tr s movimentos de rota o A combina o destes movimentos orienta a ferramenta de acordo com a configura o do objecto Estes tr s movimentos s o muitas vezes chamados de Pitch de Yaw e de Roll Figura 2 3 Salant 1990 Pesquisa Bibliogr fica 23 Pitch uma rota o em torno de um eixo horizontal que vai da esquerda para a direita atrav s do punho Yaw uma rota o em torno de um eixo vertical que vai da parte superior parte inferior atrav s do punho Roll uma rotac o e
53. a neste sentido que Santos e Quintino defendem que a op o pela automatiza o nomeadamente a automatiza o na soldadura tem particular sucesso quando se orienta por tr s objectivos fundamentais reduzir os custos de produ o mediante o aumento da produtividade aumentar a qualidade do produto e aumentar a sua fiabilidade mediante a redu o ou elimina o de poss veis erros humanos No entanto para usufruir da aplica o de soldadura robotizada necess rio transformar os rob s em m quinas cada vez mais f ceis de usar programar controlar e integrar com outros equipamentos pois eles v o ser usados como uma ferramenta em tarefas complexas dentro de ambientes flex veis Portanto os rob s ter o que ser capazes de receber solicita es complexas por parte dos utilizadores de computadores execut las e fornecer os resultados De salientar que a interface 10 Santos e Quintino 1992 Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 116 homem m quina beneficia da conectividade do rob com computadores pois facilita a transpar ncia no di logo O caso pr tico que aqui analisaremos tem como objectivo o desenvolvimento de uma aplica o capaz de simplificar e tornar acess vel a programa o de um rob dedicado a opera es de soldadura industrial Esta aplica o visa a instala o de rob s manipuladores numa das maiores empresas nacionais de constru o met lica e destina se a dar res
54. a partir da posi o inicial para uma posi o desejada num determinado per odo de tempo Usando a cinem tica inversa o conjunto de ngulos da junta corresponde posi o desejada e a orienta o pode ent o ser calculada necess rio uma fun o para cada junta cujo valor para a posi o inicial to e para a posi o desej vel da junta posi o final que ts De acordo com a Figura 3 27 Craig 1989 existem muitas fun es planas O t que podem ser usadas para interpola o do valor da junta Fu et al 1987 Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 95 00 Figura 3 27 Traject rias poss veis para uma junta simples Fazendo um movimento plano simples sao evidentes pelo menos quatro condi es O t Duas delas s o valores que prov m da obten o de valores iniciais e finais ou seja Estas duas condi es conduzem a uma velocidade inicial e final igual a zero pois s o fun es cont nuas em termos de velocidade logo Controlo de Rob s 96 De acordo com o referido anteriormente na descri o de uma traject ria plana temos quatro condi es O t Estas quatro condi es levam a que a express o Q t seja um polin mio do 3 grau Q t a a t a t a t Assim a velocidade e a acelera o da junta ao longo da traject ria s o 6 t a 2a t 3a t t 2a 6a t Combinando as equa es anteriores obtemos 0 a 2 3 0 a ta t t a t
55. a produtividade Como esta uma rea de investiga o e desenvolvimento constante e na qual se esperam avangos significativos nos pr ximos tempos a tend ncia ser produzir sistemas cada vez mais baratos e mais potentes O desenvolvimento da rob tica direcciona se no sentido de aumentar a mobilidade dos rob s a sua destreza e autonomia de acc o o que colocar a automac o ao alcance das pequenas e m dias empresas pois ser o cada vez mais numerosas as implementa es em campos em que ganhos de produtividade compensam os custos do equipamento e da implementa o No dom nio da introdu o da rob tica na ind stria da constru o h tamb m que se apostar na reorganiza o dos estaleiros na altera o dos processos tecnol gicos e na defini o das tarefas a desenvolver de modo a permitir a implementa o de novos m todos de execu o Face s dificuldades inerentes estrutura o dos actuais estaleiros e face aos custos que as empresas t m que suportar com a contrata o e desloca o dos trabalhadores para os locais de trabalho muitas vezes distantes justifica se apostar em novos m todos de trabalho transferindo para instala es fixas o m ximo de opera es poss veis aproveitando os avan os da tecnologia rob tica Conclus es e Desenvolvimentos Futuros 143 integrando e adaptando os rob s industriais dispon veis quer em termos das suas ferramentas de trabalho quer em termos de programac o a
56. ado pelo homem uma vez que os rob s podem trabalhar em sobrecarga durante 95 do tempo n o necessitando de intervalos para caf ou refei o nem para dormir N o sofrem de fadiga 10 raramente adoecem e produzem um trabalho sempre igual 10 Se os rob s trabalharem 22 horas por dia durante 7 dias por semana verifica se que os rob s trabalham cerca de 48 mil horas num per odo de 6 anos dura o m dia de um rob enquanto que um oper rio ao trabalhar 40 horas por semana somar as 48 mil horas apenas no final de 30 anos Neste sentido os rob s podem ocupar o lugar dos homens substituindo dezenas ou at centenas de homens numa linha de produ o Salant 1990 Pesquisa Bibliogr fica 19 Tamb m as possibilidades de evolug o futura apontam para a queda nos custos efectivos dos rob s tornando os acess veis para muitos sectores da ind stria Esta tend ncia para produzir cada vez mais baratos e mais potentes sistemas faz com que os rob s possam competir com a m o de obra barata como a existente nos pa ses do terceiro mundo Quanto melhoria da qualidade do processo temos que a capacidade de precis o e repetitibilidade da maioria dos rob s muito superior do ser humano Aprendida uma tarefa o rob pode repeti la indefinidamente sem se cansar e com alto grau de precis o ao passo que a precis o humana tende a diminuir com o tempo Num determinado n mero de situa es os rob s podem subst
57. ados utilizados no sistema de programa o de rob s s o do tipo convencional inteiros reais booleanos etc e outros espec ficos que definem as opera es de interac o com o seu meio como por exemplo os dados que especificam a posi o e orienta o dos pontos e objectos a que deve aceder o rob A posi o e orienta o espacial de um objecto podem ser especificadas como se demonstrou no cap tulo 3 deste trabalho utilizando as coordenadas articulares ou as coordenadas cartesianas do rob As coordenadas articulares do rob qi qo qn em que n o n mero de graus de liberdade do rob indicam os valores articulares que deve tomar o rob para posicionar e orientar o seu extremo as coordenadas cartesianas em que se associa um sistema de refer ncia de coordenadas Si ao objecto a posi o descrita pelas coordenadas cartesianas da origem de S px Dy Pz a orienta o por diferentes tipos de representa o ngulos de Euler q 9 W Quat rnios cos gt sin 5 a sin 5 jd in gt 2 Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 125 Para conseguir a integra o e sincroniza o dos rob s nos processos de fabrica o fundamental a comunica o do rob com outras m quinas ou processos que interactuam com ele Esta comunica o obt m se mediante sinais bin rios de entrada sa da que possibilitam ao rob come ar determinada tarefa ou ordenar a um dispositivo externo que inicie a sua
58. al AFRI estabelece a seguinte classifica o Barrientos et al 1997 Classifica o AFRI Tipo A Classe 1 da classifica o JIRA Tipo B Classes 2 e 3 da classifica o JIRA Tipo C Classes 4 e 5 da classifica o JIRA rob program vel conhecido como rob da primeira gera o Tipo D Classe 6 da classifica o JIRA rob que faz aquisi o de certos dados do meio ambiente conhecido como rob da segunda gera o Mais simples e espec fica a classifica o de rob s por gera o os quais s o progressivamente mais inteligentes Barrientos et al 1997 Nof 1999 Nela s o diferenciados os sistemas de rob s da primeira segunda e terceira gera o Nos sistemas da primeira gera o os rob s t m como nica fun o inteligente a aprendizagem de uma sequ ncia de ac es de manipula o coordenadas por um operador humano usando uma unidade de comando Por isso repetem a tarefa programada sequencialmente n o tendo em conta poss veis altera es do meio envolvente 7 RIA Robotics Institute of Am rica AFRI Association Francaise de Rob ique Industrielle Pesquisa Bibliogr fica 17 As restri es ao uso destes rob s incluem o posicionamento no espa o o relacionamento espec fico com outras m quinas e a seguran a para equipamento e pessoas que se encontrem pr ximos deste tipo de rob s Neste sentido Nof considera que estes rob s s o surdos mudos e cegos Como o manu
59. alho de alcance aquele em que a origem do eixo da ponta do rob pode ser obtida com pelo menos uma orienta o Craig 1989 Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 71 3 5 4 CINEM TICA INVERSA A equa o da cinem tica directa na forma x k q estabelece uma relac o funcional entre as v rias juntas e a posi o orienta o da ponta do rob O Problema da Cinem tica Inversa consiste na determina o das v rias juntas correspondentes a uma dada posi o orienta o da ponta do rob Isto pretende se encontrar os valores que devem tomar as coordenadas articuladas do rob q para que o seu extremo se posicione e oriente segundo uma determinada localiza o espacial O processo de obten o das equa es no problema cinem tico inverso depende da configura o do rob A solu o do problema transforma as especifica es do movimento designadas pela ponta do rob no espa o operacional de acordo com o movimento espacial das juntas correspondentes e que permitem a execu o do movimento pretendido Como se pode verificar pela equa o da cinem tica directa a posi o da ponta do rob e a matriz de rota o podem ser conjugadas de uma nica maneira uma vez que as juntas vari veis s o conhecidas No entanto o Problema da Cinem tica Inversa muito mais complexo pelas seguintes raz es Sciavicco e Siciliano 1996 A solu o da equa o em geral n o linear e nem sempre p
60. application in upstream industry with execute tasks in a control environment using constructive processes for we execute them in traditional way In this case we develop a manipulator robots application for execute a metal structures welding target be possible implement this in construction area pre fabrication by do for robots KEYWORDS Robotics construction industry building sites pre fabrication welding robotics Abstract e Keywords Vil NDICE GERAL AGRADECIMENTOS ABSTRACT E KEYWORDS NDICE GERAL NDICE DE FIGURAS NDICE DE QUADROS CAPITULO 1 APRESENTACAO DO TRABALHO 1 1 INTRODU O 1 2 IDENTIFICACAO E PERTIN NCIA DO TEMA 1 3 OBJECTIVOS GERAIS 1 4 DOM NIOS PRIVILEGIADOS DE INVESTIGACAO 1 5 ORGANIZAC O DO TEXTO CAP TULO 2 PESQUISA BIBLIOGR FICA 2 1 INTRODU O 2 2 HISTORIA ORIGEM DOS ROB S 2 3 ROB TICA 2 4 ROBO DEFINICAO 2 5 POTENCIALIDADES DA UTILIZACAO DE ROB S 2 6 ROB S MANIPULADORES INDUSTRIAIS 2 6 1 Manipulador 2 6 2 Actuadores 2 6 3 Sensores 2 6 4 Sistema de Controlo CAP TULO 3 CONTROLO DE ROB S 3 1 INTRODUCAO 3 2 CONCEP O E PROJECTO DE UM ROBO 3 3 CONFIGURA O F SICA DE UM ROB 3 3 1 Rob Cartesiano 3 3 2 Rob Cil ndrico 3 3 3 Rob Polar 3 3 4 Rob de Revolu o 3 4 POSI O E ORIENTA O DE UM CORPO R GIDO 3 4 1 Matriz de Rota o 3 4 2 Matrizes de Transforma o 3 4 3 Representa es M nimas de Orienta o 3 4 4
61. aramos na consecu o desse objectivo h n o s formas de os superar como argumentos v lidos a seu favor Estes representam certamente um desafio quer rob tica industrial quer ind stria da constru o A fechar o cap tulo e esta Tese apresentam se linhas de investiga o e de desenvolvimento tecnol gico neste dom nio Apresenta o do Trabalho 6 Cap tulo A PESQUISA BIBLIOGR FICA 2 1 INTRODUCAO Neste cap tulo efectua se uma an lise bibliogr fica no dom nio da rob tica visando o esclarecimento das suas potencialidades e desenvolvimentos em curso A abordagem hist rica que seguimos mostra a rob tica como uma tecnologia interdisciplinar englobando v rias reas do saber Ao analisar os sistemas existentes mais recentes desenvolvem se aspectos relacionados com aqueles cuja aplicac o na industria da construc o se afigura como mais vi vel 2 2 HISTORIA ORIGEM DOS ROB S Ao longo da hist ria o homem sempre se sentiu atra do pelo mundo das m quinas no sentido de encontrar substitutos que imitassem as fun es o comportamento e os movimentos dos seres humanos Estamos a referir nos aos rob s m quinas que podem substituir o ser humano na execu o de v rias tarefas e consequentemente destinados a melhorar a produg o e a qualidade de vida Barrientos et al 1997 Assim quando falamos de rob s n o falamos de m quinas recentes pois desde os primeiros tempos que o homem se sente
62. arbono ou outras Todavia designa se normalmente por processo MIG MAG devido dificuldade de distinguir um e outro processo nomeadamente quando se utilizam misturas complexas Santos e Quintino 1992 P Veja se Kalpakjian s d Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 118 Do processo de soldadura MIG MAG Figura 4 3 fazem parte o gerador de corrente a fonte de g s o alimentador e a tocha de soldadura O gerador de corrente uma m quina de soldadura de corrente cont nua A fonte de g s assegura o fornecimento do g s de protec o do banho de fus o O alimentador assegura a alimenta o do fio fus vel at junta a soldar A tocha de soldadura assegura o guiamento da extremidade do fio onde se estabelece o arco el ctrico bem como a protec o gasosa do fio e do banho de fus o Santos e Quintino 1992 Para se obter um processo suficientemente flex vel robusto e atraente para aplicac o no ambiente industrial o processo de soldadura robotizado deve ser capaz de reconhecer o tipo de junta o desvio traject ria pr estabelecida a alterac o autom tica dos par metros da soldadura 4 5 2 SISTEMA DE IMPLEMENTAC O HARDWARE E SOFTWARE A estrutura geral do sistema em implementac o envolve o sistema de soldadura um computador PC o controlador do rob e o rob Figura 4 4 Pires e S da Costa 2000 Lee E janela de di logo PCRob ActiveX Aplicac es r
63. as anota es cr ticas sempre estimulantes as diversas e valiosas sugest es o cuidado posto na revis o e o permanente incentivo contribu ram decisivamente para concretizar o plano de trabalho dando corpo ao projecto inicial Ao Professor Doutor Telmo Pereira que se demonstrou em todos os momentos dispon vel atento e sempre pronto a orientar me com a sua compet ncia e simpatia o meu Bem Haja Uma palavra de reconhecimento para o Professor Doutor Norberto Pires do Departamento de Engenharia Mec nica da Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade de Coimbra que aceitou co orientar este trabalho sua compet ncia cient fica sua orienta o e ao seu apoio cont nuos devo tamb m a concretiza o desta disserta o O seu trabalho na rea da Rob tica proporcionou me o contacto com um dom nio novo e de grande valor cient fico e tecnol gico n o s pela frequ ncia da disciplina de Rob tica Industrial cuja abordagem te rica e pr tica permitiu adquirir e estruturar a informa o neste dom nio mas tamb m pela possibilidade de integrar um dos seus grupos de trabalho Agrade o igualmente a diversidade da informa o e de bibliografia que me disponibilizou e que se revelaram de grande import ncia Para o Professor Doutor Norberto Pires os meus agradecimentos Uma palavra de amizade e agradecimento aos colegas do grupo de trabalho do Laborat rio de Rob tica Industrial do DEM FCTUC de quem recebi sempre
64. bt m se o sistema O x y z Torna se ent o necess rio conhecer os valores dos ngulos e os eixos sobre os quais se realizam as rota es Barrientos et al 1997 Ainda que existam diversas possibilidades de conjuga o de ngulos de Euler as mais usadas s o a representa o dos ngulos ZYZ e ngulos ZYX A rota o descrita pela representa o ZYZ Figura 3 15 a representa o mais usual entre as que realizam as rota es sobre eixos previamente rodados A he A VU 2 Vy zr J x y Y Figura 3 15 Representac o dos ngulos de Euler ZYZ Fu et al 1987 Craig 1989 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 apresentam um estudo detalhado sobre esta tem tica Controlo de Rob s 55 O x y Z obt m se a partir de O xyz fazendo as rota es marcadas na figura anterior na ordem ZYZ rodando o sistema de refer ncia original O xyz at obter O x y z Partindo dos sistemas O xyz e O x y Z inicialmente coincidentes pode se colocar o sistema O x y Z em qualquer orienta o tendo em conta as seguintes rota es elementares Sciavicco e Siciliano 1996 Rota o do eixo de refer ncia pelo ngulo em torno de z matriz de rota o R q Rota o do eixo de refer ncia pelo ngulo 9 em torno de y matriz de rota o Ry Rota o do eixo de refer ncia pelo ngulo W em torno de Z matriz de rota o Rz 4 O re
65. c es de momento de uma junta de um manipulador no espaco O primeiro m todo baseia se na formula o de Newton Euler que permite obter uma solu o do tipo recursivo o segundo m todo baseia se na formula o de Lagrange que permite obter uma solu o simples e sistem tica Veja se Groover et al 1986 fu et al 1987 Craig 1989 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 Controlo de Rob s 84 3 6 1 FORMULACAO DE NEWTON EULER Considerando cada elo do manipulador como um corpo r gido e sabendo a localizac o do centro de massas e a in rcia do elo passamos a ter caracterizada a distribui o de massas do elo Para movimentar os elos temos que acelerar ou desacelerar As for as necess rias para este movimento s o fun o da acelera o e da distribui o de massas do elo A formula o Newton Euler descreve o tipo de for as in rcia e acelera es registadas Craig 1989 Equa o de Newton De acordo com a Figura 3 23 temos um corpo r gido que tem o centro de massas em acelera o o A for a F aplicada no centro de massas gera uma acelera o V dada pela equa o de Newton F m em gue m a massa total do corpo Figura 3 23 Forca F aplicada no centro de massas do corpo com a acelerac o do corpo V provocada pela respectiva for a F 1 Veja se Fu et al 1987 Craig 1989 e Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 85 Eq
66. cGraw Hill Singapore 1987 Gonzalez e Woods 1992 Gonzalez R C Woods R E Digital Image Processing Addison Wesley 1992 Groover et al 1986 Groover M P Weiss M Nagel R N Odrey N G Industrial Robotics Technology programming and applications McGraw Hill Singapore 1986 Groover 1989 Groover M P Robot y efectores finales en Rob tica Industrial Tecnologia Programaci n y Aplicaciones McGraw Hill Madrid 1989 Hamilton 1969 Hamilton W R Elements of Quaternions Chelsea Publishing Co New York 1969 Bibliografia 148 Hasegawa 1996 Hasegawa Y Current Status Key Issues for Construction Automation and Robotics in Japan Paper presented at 13 ISARC June 1996 Hayes 1983 Hayes J The Genius of Arab Civilization Cambridge Massachusetts MIT Press 1983 Jones et al 1998 Jones L A Edgar T W Lang J H Images of Steel Electrode in Ar 20 Shielding During Constant Current Gas Metal Arc Welding Welding Journal 77 1 pp 135 141 1998 Lozano 1982 Lozano P rez T Robot Programming Memo AIM 698 Massachusetts Institute of Technology 1982 Kalpakjian s d Kalpakjian S Manufacturing Engineering and Technology Bs ed Reading Massachusetts Addison Wesley Publishing Co Koren 1985 Koren Y Robotics for Engineers McGraw Hill New York 1985 Kusiak 1986 Kusiak A Modelling and Design of Flexible Manufacturing Systems Elsevier Scie
67. complicados que os dos actuadores pneum ticos e ainda mais que os dos el ctricos necessitando de filtros de part culas purgadores de ar sistemas de refrigera o e unidades de controlo de distribui o Outras desvantagens destes actuadores s o o modo de opera o n o linear e o seu elevado custo Os actuadores hidr ulicos usam se com frequ ncia nos rob s que t m que mover grandes cargas e em situa es onde a seguran a n o permita a exist ncia de fa scas Pesquisa Bibliogr fica 29 Actuadores el ctricos As caracter sticas de controlo sensibilidade e precis o dos accionamentos el ctricos levam a que sejam os mais usados nos rob s industriais actuais Dentro dos actuadores el ctricos podemos distinguir tr s tipos diferentes servo motores de corrente cont nua DC motores de corrente alterna AC e motores passo a passo Cort s 1989 Os servo motores de corrente cont nua s o motores de pequena dimens o de baixa in rcia e que podem produzir elevadas acelerag es e desacelerag es Ao contr rio do motor passo a passo s o de opera o cont nua isto n o se movem segundo passos discretos S o controlados mediante refer ncias de velocidade e s o os mais utilizados actualmente devido ao seu f cil controlo Os motores passo a passo s o motores muito leves fi veis e f ceis de controlar Empregam se para o posicionamento de eixos que n o precisam de grandes pot ncias rota o de pin
68. das no exterior em s tios dif ceis imprevistos e n o protegidos Neste sentido os rob s deveriam estar tamb m preparados e equipados para trabalhar face a ambientes adversos nomeadamente quedas em altura queda de materiais impactos agentes atmosf ricos Grande parte das tarefas executadas em obra requer o manuseamento de materiais com caracter sticas distintas manuseamento de cargas pesadas ou de grande dimens o manipula o de materiais fr geis e ferramentas variadas Na pr tica significaria que os rob s teriam que estar equipados para a execu o de tarefas que implicam a movimenta o de elementos como vigas e pain is pr fabricados podendo pesar algumas toneladas ou manusear materiais com uma certa fragilidade produtos cer micos tais como ladrilhos loi as sanit rias ou vidros Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 109 Deste modo do ponto de vista das actuais necessidades da construc o a industria de rob s dever desenvolver se no sentido de melhorar o seu desempenho nos seguintes pontos O rob deve ser uma m quina altamente flex vel e provida de um controlo rigoroso e com fung es de reconhecimento do meio de trabalho O rob deve transmitir seguranga e ser f cil de operar pelos trabalhadores aos quais necess rio dar formac o Os materiais utilizados na constru o s o de grandes dimens es e de elevado peso pelo que requer equipamento do rob capaz de suportar esses peso
69. de da junta T fric o C sen 8 onde C a constante de fricc o Coulomb Quando a junta de um manipulador exibe fric o viscosa e ou fric o Coulomb geram se v rios problemas entre eles o problema da lubrifica o Assim o modelo deve incluir os dois tipos de forgas Vaid C sgn 6 v Um outro modelo de fricc o complexa deve ser expresso por T fric o tt 6 Controlo de Rob s 93 3 7 GERACAO DE UMA TRAJECT RIA O movimento de um rob manipulador deve ser descrito como uma sequ ncia de pontos no espa o cada um com uma determinada posi o e orienta o atrav s dos quais o manipulador deve descrever uma curva Esta curva no espago que o manipulador descreve desde uma localiza o inicial posi o e orienta o at localiza o final chamada traject ria Assim para realizar uma tarefa o rob deve se mover desde um ponto inicial at um ponto final Este movimento pode se realizar segundo infinitas traject rias espaciais Neste caso abordam se m todos de c lculo de uma traject ria multidimensional no espa o a qual descreve o movimento desej vel do manipulador Aqui a traject ria refere o per odo de tempo da posi o velocidade e acelera o de cada grau de liberdade De uma maneira geral considera se o movimento de um manipulador como sendo o movimento da ferramenta T relativo ao eixo de refer ncia S como se pode ver na figura que se segue Craig 1989 Figura 3 26
70. e circula o armazenamento etc Face s caracter sticas dos actuais estaleiros obras e tarefas a desenvolver e face ao encarecimento dos rob s devido sofistica o exigida a hip tese que parece apresentar grandes potencialidades e a que mais benef cios retira dos actuais rob s consiste na realiza o de tarefas repetitivas e com posto de trabalho fixo em ambiente fabril Neste sentido a rea da pr fabrica o parece ser a mais vi vel uma vez que n o nos deparamos com os problemas inerentes aos ambientes de estaleiro Nela os rob s realizam tarefas em ambientes fabris a montante das obras onde n o se colocam problemas de locomo o e de identifica o dos locais de trabalho No entanto para uma efectiva aplica o dos sistemas rob ticos na constru o dever se ia actuar nos seguintes mbitos Ueno 1994 Hasegawa 1996 Fazer um levantamento da concep o dos elementos e dos materiais necess rios para o recurso estandardiza o n o dispon vel presentemente Elaborar projectos de constru o e m todos orientados para a automatiza o e robotiza o na constru o Incrementar o mercado da constru o permitiria suportar os custos para manter o sistema de automa o e conjuntamente com o elevado desempenho do rob obter vantagens em termos de investimento comparativamente ao trabalho manual Reestruturar a ind stria da constru o assente numa estrutura multilateral de empreiteiros sub
71. e do software e hardware Desta fase resultar documenta o com toda a informa o relevante para a manufactura montagem opera o e manuten o do rob A fase de concep o e projecto termina com a an lise funcional do rob permitindo identificar as fun es e n veis de desempenho que podem ser automatizados especificando o meio envolvente em que a tarefa vai ser executada ou seja a verifica o experimental do prot tipo do rob Controlo de Rob s 34 No entanto se forem detectadas defici ncias em termos de qualidade desempenho e potenciais custos deve se passar a uma fase de melhoria de performances do rob requerendo a modifica o e varia o das tarefas planeadas com o intuito de rentabilizar o desempenho Nof 1999 A an lise do esquema da Figura 3 1 adaptada de Nof 1999 e retratando o processo de desenvolvimento de um rob permite nos tirar as seguintes conclus es H uma estreita rela o entre a concep o e projecto de um rob e as exig ncias espec ficas da tarefa a realizar A an lise da tarefa a realizar pelo rob permite nos definir alguns par metros n o estandardizados fundamentais para o aumento da sua funcionalidade Para tal devemos ter em conta as caracter sticas dos objectos que se pretende manusear transportar ou trabalhar etc A concep o e projecto do rob tem que ser desenvolvida com base nas especifica es funcionais processo que essencialment
72. e intuitivo e deve ser sistem tico Os requisitos da configura o cinem tica do rob s o determinados pela complexidade da tarefa a executar Para a determina o do desempenho geom trico cinem tico e mec nico na concep o e projecto de um rob os sistemas de trabalho devem ser automatizados seleccionados observados e descritos Controlo de Rob s 35 Conhecimento e Modelo de t cnicas em sistemas de design do engenharia e projecto processo An lise do sistema e desenvolvimento Solu o Desenvolvimento An lise funcional Concep o e Rob prot tipo do rob projecto do sistema Conhecimento Conhecimento Sistema e t cnicas em Tarefa e t cnicas em an lise de Modelo Rob design de sistemas de Modelo trabalho sistemas Figura 3 1 Processo de desenvolvimento de um rob 3 3 CONFIGURACAO F SICA DE UM ROBO Actualmente os rob s manipuladores industriais s o m quinas muito avangadas de grande precis o e repetitibilidade Do ponto de vista mec nico s o estruturas constitu das por uma cadeia cinem tica de corpos r gidos elos links interligados por juntas de revolu o ou prism ticas as quais constituem os graus de mobilidade de uma estrutura normalmente seis tendo uma extremidade fixa base do rob e outra livre para se mover elemento terminal ferramenta end effector Figura 3 2 Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 36 Ferra
73. e outras a utiliza o de rob s na constru o dever fazer se essencialmente sem os problemas inerentes aos ambientes de estaleiro e a montante da sua aplica o em obra A pr fabrica o a rea de aplica o ptima dos actuais rob s manipuladores industriais no sector da constru o Para o efeito necess rio uma modifica o do entendimento conceptual da ind stria da constru o mais especificamente do pr prio processo de constru o Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 138 Com o caso pr tico desenvolvido pretendia se demonstrar que o uso de rob s no processo de soldadura industrial permite aumentar a produtividade e qualidade das soldaduras libertando o homem dos riscos inerentes a esta actividade Por outro lado a optimiza o do interface com o utilizador faz com que o recurso a m o de obra especializada seja cada vez mais diminuta Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 139 Cap tulo 5 CONCLUS ES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS 5 1 INTRODUCAO Neste Cap tulo apresentam se as principais conclus es deste trabalho e as linhas de investiga o que consideramos de interesse para desenvolvimentos futuros 5 2 CONCLUS ES Ainda que o sector da constru o se apresente com caracter sticas pr prias e espec ficas que de um modo geral representam condicionalismos aplica o de rob s considera se que o processo de automatiza o no mbito da constru o ci
74. e refer ncia isto Consequentemente R uma matriz ortogonal R R I em que I a matriz identidade Multiplicando ambos os lados da igualdade anterior pela matriz inversa R o resultado obtido R R R IR R R Assim a matriz transposta da matriz de rota o igual a sua inversa Sciavicco e Siciliano 1996 A matriz de rota o corresponde representa o da orienta o de sistemas que rodam unicamente sobre um dos eixos principais do sistema de refer ncia Se O xyz for um sistema de refer ncia e o sistema do corpo r gido O x y z rodar em torno do eixo z de um ngulo o Figura 3 12 ent o os vectores unit rios no novo eixo podem ser descritos do seguinte modo Barrientos et al 1997 cos O sin O 0 x sina y cosa z 0 0 0 1 em que a matriz de rota o do sistema O x y z em rela o a O xyz cosa sina O R a sing cosa O 0 0 1 1986 Fu et al 1987 Craig 1989 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 apresentam um estudo detalhado sobre esta tem tica Controlo de Rob s 48 x Figura 3 12 Rota o do sistema O xyz de um ngulo a em torno do eixo z Do mesmo modo conseguem se obter as matrizes de rota o se o sistema rodar em torno de y com um ngulo p e em torno de x com um ngulo y cosp O sinp 1 0 0 R B 0 1 0 R y 0 cosy siny sinB O cosp 0 siny cosy Estas matrizes s o teis para d
75. empreiteiros e outros constru o de maquinaria t cnicas de engenharia etc de modo a poder articular se com a organiza o da automa o e rob tica na produ o Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 111 Ser ent o necess rio modificar em primeiro lugar o entendimento conceptual da ind stria da constru o mais especificamente do pr prio processo de constru o em que o planeamento a racionaliza o a normaliza o e a programa o das actividades devidamente integradas permitiriam enveredar pela automatiza o da constru o A introdu o de novos materiais e de novas tecnologias nomeadamente a pr fabrica o implica a altera o das rela es entre os donos de obra os projectistas e os construtores Os intervenientes no processo da constru o devem estar motivados e dispon veis para a aplica o das metodologias e t cnicas que permitem transformar a ind stria da constru o numa ind stria de manufactura moderna e que j permitiram a outras ind strias atingir elevados n veis de produtividade Um dos exemplos paradigm ticos da adop o deste conceito de manufactura moderna CIM o da ind stria autom vel Este conceito consiste na organiza o e no controlo de todo o processo produtivo de um modo hier rquico por n veis explorando a flexibilidade do sistema produtivo e respondendo rapidamente a altera es dos produtos ou introdu o de novos produt
76. endo uma etapa interm dia de armazenamento Dependendo bem entendido do seu software e da adequa o da ferramenta fun o a desempenhar Apresenta o do Trabalho 2 Existem v rios sectores industriais que j apostaram em tornar as suas linhas de produ o automatizadas e robotizadas sendo a ind stria autom vel um dos exemplos pioneiros em Portugal 1 2 IDENTIFICACAO E PERTIN NCIA DO TEMA O tema desta Tese a aplica o da Rob tica ind stria da Constru o Esta ind stria tem tal como as outras a necessidade de aumentar a produtividade e a qualidade do produto final a um baixo custo de modo a assegurar a competitividade face aos concorrentes nosso parecer que nesse processo pode beneficiar com a aplica o da tecnologia proveniente do desenvolvimento da rob tica noutras reas A investiga o e desenvolvimento neste dom nio podem levar cria o de m quinas capazes de realizar com vantagens algumas das muitas tarefas da constru o at aqui realizadas exclusivamente pelo homem 1 3 OBJECTIVOS GERAIS Para a realiza o deste trabalho tra aram se os seguintes objectivos gerais Organizar a informa o existente sobre rob s Analisar prot tipos e sistemas rob ticos em funcionamento Identificar virtualidades e capacidades dos actuais rob s Estudar a Cinem tica e a Din mica dessas m quinas Explorar a possibilidade de aplica o da rob tica na ind stria da constru o
77. epetitivo exigindo precis o e rapidez tem no sector da constru o um vasto campo para o desenvolvimento de aplica es Veremos no entanto que esse objectivo tem implica es muito vastas ao longo de todo o processo de constru o concep o projecto planeamento execu o Tal n o obsta ao desenvolvimento de sistemas robotizados que visam automatizar algumas das muitas tarefas que fazem parte dos processos construtivos o que faremos ao longo da segunda parte deste cap tulo com a apresenta o de uma aplica o concreta 1 E z de z Em Portugal por exemplo se analisarmos as inter rela es sectoriais atrav s de uma matriz de Leontieff facilmente chegamos conclus o que actualmente movimenta cerca de 40 da nossa economia Dependendo no entanto do tipo de obra e do tipo de trabalhos envolvidos Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 100 4 2 POSSIBILIDADES DA UTILIZACAO DE ROB S Para melhorar os actuais processos de constru o vantajoso aplicar a tecnologia rob tica pois os rob s s o de uma precis o elevada e poderosa para a execu o de diferentes tipos de tarefas H no entanto que os integrar e adaptar ao ambiente da constru o civil Assim para a utiliza o de rob s na constru o importa desde j caracterizar o ambiente de trabalho e o tipo de tarefas desenvolvidas bem como os estaleiros de obras local de trabalho por excel ncia 4 2 1 CARACTERIZA
78. equipamentos program veis e facilmente reconfigur veis o que lhes permite adaptar se s novas exig ncias de produ o introduzir altera es num produto existente at obten o de um novo produto Neste sentido as exig ncias do mercado actual produ es em baixa pequena escala favorecem a utiliza o de rob s na ind stria porque se adaptam com facilidade a diferentes tarefas a situa es que requerem elevada flexibilidade repetibilidade e precis o Assim as reas de adequa o da rob tica a designada Zona da Rob tica na Figura 2 1 nas palavras de Myhr 1999 e Pires et al 2001 correspondem a produ es industriais de pequena ou m dia dimens o n o se produz para stocks e produtos que mudam rapidamente tempos de vida curtos Custo por unidade Automa o R gida Rob Trabalho Manual cs A Zona da Rob tica Volume Figura 2 1 A Zona da Rob tica a rob tica que sustenta as grandes modifica es que se t m verificado no processo produtivo de manufactura mudangas tecnol gicas globalizac o de mercados competitividade responsabilidades ambientais aumento das expectativas do cliente etc Nof 1999 No entanto a rob tica n o vem substituir o homem mas apoi lo para um desempenho mais eficiente do seu trabalho Nof 1999 A par disto a rob tica tem que ser considerada uma tecnologia em evoluc o caminhando no sentido da construc o de sistemas inteligen
79. era o inclui um processador de baixo n vel para cada grau de liberdade um supervisor computador master um coordenador destes processadores e fun es de elevado n vel Cada processador de baixo n vel Veja se Nof 1999 Pesquisa Bibliogr fica 18 recebe sinais sensoriais internos relativamente a dados de posic o e velocidade O computador master coordena as ace es de cada grau de liberdade e pode desempenhar a coordena o de transforma es de c lculo nos diferentes eixos de refer ncia Faz interfaces com sensores externos com outros rob s e m quinas programas de gest o de stocks e comunica o com outros sistemas de computadores 2 5 POTENCIALIDADES DA UTILIZACAO DE ROB S decorre do ponto anterior que hoje em dia grande potencial de um rob a utilizac o de um sistema computacional de controlo hardware e software que aliado informa o sensorial lhe criar a flexibilidade e a controlabilidade necess rias ao desempenho de tarefas Salant 1990 Assim das v rias vantagens de utiliza o dos rob s destacam se a redu o do custo de produ o e aumento da produtividade a melhoria da qualidade do processo a possibilidade de trabalhar em ambientes nocivos ou de realizar tarefas de risco Quanto primeira redu o do custo de produ o e aumento da produtividade podemos dizer que o custo da utiliza o dos rob s significativamente inferior ao custo do trabalho equivalente execut
80. erda de produtividade do oper rio Elevada exig ncia quanto qualidade dos resultados exigindo trabalhadores qualificados Um grande n mero de produtos requer opera es de soldadura durante o processo de constru o Engelberger 1980 Appleton e Williams 1987 e Groover 1989 Conclus es e Desenvolvimentos Futuros 144 Para ja a realiza o deste e doutros tipos de integra o sobretudo a montante da ind stria da construc o constituem a chave da aplicac o ptima dos recentes progressos da ind stria rob tica 5 2 DESENVOLVIMENTOS FUTUROS Requere se investiga o continuada no desenvolvimento de aplica es no mbito da ind stria rob tica A preocupa o com a programa o de longe a mais evidente Efectivamente as melhorias na programa o justificam se por ser este um factor que contribuir para melhorar significativamente os actuais rob s Estes devem ser mais f ceis de usar e programar de modo a facilmente serem utilizados por trabalhadores sem forma o especializada Tal permitir eliminar o recurso exclusivo a m o de obra qualificada muitas vezes inexistente ou muito cara A par do facto dos actuais rob s serem dif ceis de usar e programar o trabalhador industrial depara se com outra dificuldade tem de operar com diferentes equipamentos cada um com um ambiente de programag o constituindo uma linguagem espec fica Esta deve ser uma outra dificuldade a superar a curt
81. eren as entre estes e os actuadores pneum ticos U Veja se Deppert 1994 e Barrientos et al 1997 55 Veja se Vockroth 1994 Pesquisa Bibliogr fica 28 Como o grau de compressibilidade dos fluidos usados inferior ao do ar a precis o obtida neste caso maior Por motivos similares mais f cil nestes realizar um controlo cont nuo podendo posicionar o seu eixo em v rios valores com not vel precis o As elevadas press es de trabalho dez vezes superiores dos actuadores pneum ticos permitem desenvolver esfor os elevados Por outro lado este tipo de actuadores apresenta estabilidade perante cargas est ticas ou seja o actuador capaz de suportar cargas como o peso ou uma press o exercida sobre uma superf cie sem gasto de energia De sublinhar tamb m a sua elevada capacidade de carga e rela o pot ncia peso assim como as suas caracter sticas de autolubrifica o e robustez Deste modo o limite do esfor o de tor o ou for a determinado pela press o de seguran a do sistema e o limite da velocidade de opera o determinado pelo calor interno do fluido Como consequ ncia destes limites um sistema hidr ulico capaz de suportar cargas est ticas e cargas din micas elevadas Apesar destas vantagens existem tamb m certos inconvenientes as elevadas press es a que se trabalha podem levar exist ncia de fugas de fluido ao longo da instala o Estes sistemas hidr ulicos s o mais
82. erfei o diversas tarefas humanas Muitas das m quinas utilizadas actualmente na constru o usam mecanismos id nticos aos mecanismos usados na rob tica O desenvolvimento da tecnologia rob tica que se verificou nos ltimos anos dotou os rob s de caracter sticas fundamentais que permitem considerar til a sua aplicabilidade na rea da constru o civil No entanto as potencialidades e virtualidades dos progressos recentes da rob tica mostram se ainda insuficientes para responder s actuais exig ncias das tarefas da constru o Para o xito da aplicabilidade dos rob s nos actuais estaleiros necess rio que outros desenvolvimentos se verifiquem na rea da rob tica nomeadamente nos seguintes mbitos locomo o vis o prepara o face a ambientes adversos manuseamento de cargas pesadas ou de grande dimens o e manipula o de materiais fr geis Assim esses rob s deveriam ter capacidade de locomo o e um certo grau de intelig ncia o que implica dot los de capacidades para subir escadas passar atrav s de v os evitar obst culos ou seja os meios de locomo o implicam a exist ncia de caminhos vi veis situa o bem diferente da realidade dos estaleiros os quais n o apresentam superf cies lisas e est o pejados de detritos materiais a aplicar obst culos etc Deste modo a n o exist ncia de caminhos vi veis nos estaleiros implicaria dotar os rob s de meios de orienta o ou por i
83. es no espa o da junta Sciavicco e Siciliano 1996 As singularidades podem ser classificadas em Singularidades de fronteira que ocorrem quando o manipulador est retra do Singularidades internas que ocorrem dentro do espa o de alcance e s o causadas pelo alinhamento de dois ou mais eixos de movimento Se considerarmos um manipulador com um bra o de dois elos no plano Figura 3 21 Figura 3 21 Bra o com dois elos representados no plano Controlo de Rob s 80 A matriz Jacobiana dada por yz E TaSi aC FAC AC o determinante de J dado por det J a a s Para aj a z 0 f cil verificar que o det J desaparece quando 90 00u29 7 9 irrelevante para a determina o de configura es singulares Sciavicco e Siciliano 1996 Por an lise do movimento diferencial da estrutura nesta configurac o podemos ver dois vectores coluna Jacobiano a a s a a e e a s a 3 5 6 FORCAS EST TICAS O objectivo da est tica determinar a relac o entre as forgas aplicadas ponta do rob e as forgas aplicadas s juntas forgas para juntas prism ticas momentos para juntas de revoluc o com o manipulador numa posic o de equil brio Para a determinac o das forgas est ticas aplicadas a um manipulador deve se imobilizar todas as juntas de modo a que o manipulador se torne numa estrutura Controlo de Rob s 81 Ent o consideramos cada elo da sua estr
84. escrever as rota es em rela o a um sistema arbitr rio no espa o Do mesmo modo as matrizes de rota o elementares possuem a seguinte propriedade R 9 RI 6 k x y z Esta express o permite atribuir um significado geom trico matriz de rota o a matriz R descreve a rota o em torno de um sistema no espaco necess ria para alinhar os seus eixos de refer ncia com os eixos de refer ncia do corpo r gido Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 49 Representa o de um Vector Para melhor se compreender o significado geom trico da matriz de rota o considere se o caso em que o sistema de refer ncia do corpo coincide com o sistema de refer ncia do espa o 0 2O o que leva a que O seja um vector nulo 3x1 Figura 3 13 Representac o do ponto P num sistema de duas coordenadas diferentes Nesse caso um ponto P no espaco Figura 3 13 representado por Px P P em rela o ao sistema O xyz P Para saber mais sobre esta tem tica consultar Fu et al 1987 Craig 1989 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 Controlo de Rob s 50 P Em rela o ao sistema O x y z temos p p 1 P pep s o representa es do mesmo ponto P isto 1 p p x p y p z x y zp vindo A matriz de rota o R representa a matriz de transforma o do vector de coordenadas O x y z em coordenadas do vector O x
85. esejada atrav s do PC ou atrav s de uma consola port til do rob Os pontos s o definidos num sistema de refer ncia situado na ponta da tocha de soldadura referenciado a um sistema base situado na mesa de trabalho 523 Welding Definition Panel zi x File Service Run Init Disable Name of File ET st _lnivDisale weld wd v Rer Close File Stat St Exit Welding Points Name Type Num Name of Welding Definition E Fim x Fim o a Soldadura de teste Fun o de Number of Points Welding Parameters simul ac ao E Current Voltage Start Simulation Sat Ront a 0000 psd f Velocity Precision Move Type Je P o Status Remove fio o zi o Stop Simulation Indica o Remove luminosa Robot Slate m Position and Orientation pou a x 365 333014 ai 00220 cfi A 6999999488 Y 523 408020 Q2 o706000 ca 1 p 6999999488 z 212 931000 a3 o 707320 ce fo c 0939999408 Read RobT Q4 o o2510 cx o p fess9sss4s8 Current Wobj Current Tool ERA Messages s 200 500 5000 1000 z TRUE 0 0 0 0 0 0 0 0 t1 c 0 10 v 9 28 m Figura 4 12 Painel de definic o de soldadura Com esta ferramenta poss vel editar os pontos da traject ria e respectivos par metros de soldadura corrente tens o velocidade etc e ainda fazer uma Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 133 simulac o de e
86. fazem ainda parte os elementos terminais tamb m chamados de end effector ferramenta utilizados para interagir directamente com o ambiente envolvente do rob Os elementos terminais suportam melhor que o ser humano cargas pesadas e quentes faltando lhes no entanto a sensibilidade da m o humana Neste dom nio tem sido feita bastante investiga o com o objectivo de desenvolver elementos terminais capazes de segurar objectos delicados e irregulares Os elementos terminais s o classificados em dois grupos garras ou ferramentas especializadas As garras utilizam se para agarrar e mover os objectos As garras podem ser de Dogs AE E 1 v rios tipos pin as mec nicas para agarrar objectos r gidos grampos Para desenhar uma pin a tem que se ter em conta diversos factores entre eles os que dizem respeito ao tipo de objecto o peso a forma o tamanho do objecto e os que se referem manipula o a realizar a for a que necess rio exercer e manter para o suportar Entre os par metros da pin a destaca se o seu peso que afecta as in rcias do rob o equipamento de accionamento e a capacidade de controlo Pesquisa Bibliogr fica 26 electromagn ticos para agarrar objectos de ferro ventosas de suc o a v cuo para agarrar objectos delicados com superf cies lisas tornos ou grampos mec nicos ganchos m os de tr s ou mais dedos cabeca de soldadura cabeca para pintura por pulveriza o rectificadores
87. gura 3 22 Equil brio de for a momento est tico num elo simples Figura 3 23 For a F aplicada no centro de massas do corpo com a acelera o do corpo c provocada pela respectiva for a F Figura 3 24 Momento N actuando num corpo sendo que o corpo roda com velocidade e acelera o Figura 3 25 A for a de equil brio incluindo for as de in rcia para um elo simples de um manipulador 13 22 24 25 36 37 38 38 38 39 40 40 41 41 43 43 44 44 45 45 46 549 50 52 55 57 62 65 67 77 80 82 85 86 88 ndice de Figuras Xii Figura 3 26 Na execuc o de uma traject ria um manipulador deve deslocar se da sua posic o Figura 3 27 Figura 4 1 Figura 4 2 Figura 4 3 Figura 4 4 Figura 4 5 Figura 4 6 Figura 4 7 Figura 4 8 Figura 4 9 Figura 4 10 Figura 4 11 Figura 4 12 Figura 4 13 Figura 4 14 Figura 4 15 Figura 4 16 Figura 4 17 Figura 4 18 inicial para a posi o desejada de um modo suave Traject rias poss veis para uma junta simples Estaleiros e respectivas obras bvia a impossibilidade de actuac o de rob s Soldadura Robotizada Processo de soldadura MIG MAG Estrutura do sistema a implementar Tocha de soldadura O software do controlador do rob a funcionar como servidor M dulo de programag o que permite ao rob executar a tarefa de soldadura rob a funcionar como servidor Painel de controlo do rob C digo da fun o Mo
88. ilizamos uma automatiza o flex vel que numa evolu o da automatiza o program vel A automatiza o flex vel tem como objectivo a manufactura de lotes vari veis de diferentes produtos minimizando o tempo perdido na reprograma o da sequ ncia de opera es e m quinas quando se muda de lote 12 A automatiza o industrial a tecnologia destinada a substituir os seres humanos por m quinas num determinado processo de produ o com o objectivo de desempenhar opera es f sicas e processamento r pido e inteligente da informa o Sciavicco e Siciliano 1996 P A automatiza o program vel consiste na utiliza o de sistemas program veis orientados para a produ o em pequena m dia escala e m dia produtividade Um sistema de automatiza o programada permite a mudan a das sequ ncias de opera o para executar as tarefas variando a gama de produtos Assim as m quinas utilizadas s o mais vers teis e s o capazes de produzir diferentes objectos do mesmo grupo tecnol gico Sciavicco e Siciliano 1996 Pesquisa Bibliogr fica 22 Requer um sistema fortemente integrado da tecnologia computacional com a tecnologia industrial Um rob industrial composto por uma estrutura mec nica ou manipulador por actuadores sensores e por um sistema de controlo Barrientos et al 1997 Para uma melhor compreens o da constitui o de um rob passa se a descrever cada um dos seus elementos 2 6 1 MA
89. im por exemplo o bot o J Read permite ao utilizador obter a posic o real do rob ler o valor actual e move lo atrav s do PC utilizando o movimento cartesiano ou o movimento de juntas o bot o J Write permite escrever o novo valor da posic o do rob Figura 4 13 Para clarificar a criac o do painel de ajuste da soldadura apresenta se como exemplo o c digo da fun o de movimenta o do rob Figura 4 14 A movimentac o do rob especificando os ngulos das juntas conseguida com a caixa Joint Position IF decision129101 THEN WHILE decision1 gt 0 DO MoveAbsJ joints now velc zone toolt ENDWHILE decisionl 123 ENDIF Figura 4 14 C digo da fun o de movimenta o do rob rotina em RAPID a correr no controlador do rob A seguir apresentam se rotinas C com o c digo da fun o Joint Position actual Figura 4 15 as quais permitem o acesso rotina de servi o decisionl pertencente ao c digo da fun o da movimenta o do rob anteriormente apresentado Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 135 Void CWeldadjustDlg Onjwrite VARIANT var BOOL all_done float warn 12 float value 9101 long i CString msg SAFEARRAY FAR psa SAFEARRAYBOUND rgsabound 1 if lon cycle nResult m pon WriteNum LPCTSTR decisionl amp value if nResult lt 0 m msg SetWindowText Failled to enter routine on cycle TRUE m leavej EnableWindow TRUE
90. ios esp rito de abertura a novas concep es m todos processos e tecnologias por parte do pessoal afecto ao sector e esp rito de coopera o entre os v rios intervenientes fomentando uma atitude de sincronia entre os construtores e os fabricantes de maquinaria rob tica a colabora o visa o desenvolvimento da tecnologia rob tica capaz de ser aplicada na constru o portanto possibilitando a constru o robotizada com a aplica o de sistemas automatizados ser necess rio n o s uma nova concep o da f brica e da organiza o do trabalho mas tamb m modificar a mentalidade dos principais intervenientes no processo construtivo no sentido de os predispor para aceitar a introdu o de mudan as no desenvolvimento do pr prio processo construtivo que facilitem e tornem vi vel a introdu o de rob s nomeadamente a integra o dos trabalhadores nos objectivos globais de produ o participa o na pr pria implementa o das inova es t cnicas e organizacionais da empresa e forma o permanente dos trabalhadores devido sistem tica introdu o de inova es tecnol gicas Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 107 4 3 ROBOS NA CONSTRUCAO ROB S EM OBRA Na ind stria de rob s existe uma grande variedade de m quinas sofisticadas que trabalham com controladores de posi o e movimento e que s o detentoras de equipamento de manufactura flex vel capazes de realizar com grande p
91. ituir os seres humanos com um grau de desempenho e qualidade bastante superior principalmente no caso de trabalhos desenvolvidos em ambientes hostis ou quando se trata de tarefas repetitivas em que se requer simultaneamente rapidez e precis o Para o funcionamento em ambientes nocivos ou para a realiza o de tarefas de risco os trabalhos que envolvem produtos t xicos podem ser executados com seguranca por um braco de rob Os rob s s o imunes ao meio podendo trabalhar em ambientes muito quentes ou muito frios com gases t xicos em ambientes radioactivos ruidosos etc Perspectivando a evolu o futura se inicialmente o rob foi visto como um sistema mec nico comandado electronicamente caracterizando se por uma grande capacidade de manipula o e de flexibilidade no desempenho de tarefas repetitivas sem capacidade para reconhecer e detectar mudangas no meio envolvente hoje ao nivel da concep o de m quinas assiste se ao desenvolvimento de uma classe de rob s que podem apreender e reagir a mudangas no meio ambiente s o designados por rob s interactivos O desenvolvimento destes rob s interactivos baseia se na introdu o de sensores e outros dispositivos que Ihe permitem detectar mudangas no ambiente de trabalho e adaptar se s novas condi es como um operador humano Os rob s contudo n o Pesquisa Bibliogr fica 20 podem por si s resolver todos os problemas e por isso devem ser associados a outras
92. l O x y Z com origem no corpo r gido cuja orienta o se pretende definir expresso pelos seus vectores unit rios x y z em rela o ao eixo de refer ncia fixo O xyz Estes vectores s o expressos pelas seguintes rela es considerando como eixo de refer ncia O xyz Sciavicco e Siciliano 1996 epe X X X X yY X Z y y X ty y y z to 5 ZB RZ VTZ Z 3 4 1 MATRIZ DE ROTAC O Seguindo a representac o matricial os tr s vectores unit rios x y z descrevem a orienta o do corpo r gido em rela o ao eixo de refer ncia O xyz e podem ser combinados na seguinte forma matricial Sciavicco e Siciliano 1996 T T T X NL x X RAK On Te T T R 2 x y zl x ys z ES xy y y z y T aa y z x z y Z z z a qual se designa por matriz de rota o e que define a orienta o do sistema do gt Matriz de rota o uma forma de escrever os vectores unit rios do sistema de refer ncia associado ao objecto relativamente ao sistema de refer ncia utilizado para compara o Groover Controlo de Rob s 47 corpo r gido O x y z em rela o ao sistema fixo de refer ncia O xyz A matriz de rotac o descreve O x y z relativamente a O xyz Esta matriz obtida projectando os vectores unit rios de O x y z sobre os eixos de O xyz Portanto os vectores coluna da matriz R s o mutuamente ortogonais se representarem vectores unit rios de um eixo d
93. m torno de um eixo horizontal que vai de tras para a frente atrav s do punho tr s eixos de rotac o ae x Ze y esta extremidade est livre para se mover esta extremidade 6 presa ao rob o ponto central do punho fica onde os tr s eixos se interceptam Figura 2 3 Os movimentos do punho do rob Pitch Yaw e Roll Assim para um rob de seis juntas o braco um mecanismo de posic o enguanto que o pulso o mecanismo de orienta o O movimento de cada articula o pode ser de deslizamento rota o ou uma combina o de ambos O movimento deslizante tamb m designado linear permite movimentos em linha recta sem rota o O movimento rotacional o movimento que gira em torno de uma linha chamada eixo de rota o Pesquisa Bibliogr fica 24 A Figura 2 4 mostra seis tipos de articula es Esf rica ou r tula Plana Rosca 3 GDL 2 GDL 1 GDL A d V IN E LJ Prism tica Rotac o Cil ndrica 1 GDL 1 GDL 2 GDL Figura 2 4 Tipos de articula es O braco do rob frequentemente descrito pelo numero de graus de liberdade GDL Em rob tica o n mero de graus de liberdade o n mero de movimentos distintos que o bra o pode realizar ou seja cada um dos movimentos independentes que cada articula o pode realizar relativamente anterior O n mero de graus de liberdade do rob dado pela soma dos graus de liberdade das articula
94. menta Figura 3 2 Rob manipulador O movimento resultante da estrutura obtido pela composi o dos movimentos elementares de cada elo em rela o ao elo anterior Como num bra o humano os rob s manipuladores industriais usam geralmente as primeiras juntas para posicionar a estrutura formada pelas restantes as quais s o usadas para orientar o elemento terminal As juntas utilizadas para posicionamento formam a estrutura denominada bra o As juntas seguintes formam o punho por analogia com o bra o humano Nof 1999 O punho tem geralmente duas configura es pitch yaw roll Y XZ como o punho humano ou roll pitch roll ZYZ tamb m denominado punho esf rico Figura 3 3a e 3 3b Pires 2002 Este ltimo o mais usado em rob tica de manipula o por ser o mais simples embora a sua estrutura apresente configura es singulares Consideram se aqui rob s com bra o de revolu o de estrutura antropom rfica e pulso esf rico Figura 3 4 Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 37 Figura 3 3a Punho esf rico ou Roll Pitch Figura 3 3b Pitch Yaw Roll YXZ Roll ZYZ A mobilidade de um rob manipulador assegurada pela presenga das articula es A articula o entre dois elos consecutivos pode ser prism tica ou de revolu o Uma articula o prism tica realiza um movimento relativo translacional entre dois elos enquanto que uma articula
95. mesmo ponto em dois eixos de refer ncia diferentes obt m se o vector p representado por p Adoptando a representac o dos vectores p e p a transformac o de coordenadas pode ser escrita em termos de uma matriz designada por matriz de transforma o Sciavicco e Siciliano 1996 ao aR o Jot vl Deste modo verificamos que a transforma o do vector do eixo 1 para o eixo O expressa por uma matriz simples que cont m a matriz de rota o do eixo 1 em rela o ao eixo 0 e o vector transla o a partir da origem do eixo O at origem do eixo 1 Note se que matriz de transforma o n o se aplica a propriedade da ortogonalidade A zAT Bottema e Roth 1979 Podemos ent o reescrever a transforma o de coordenadas P RT R 0 R Roor oT 1 07 1 7 Para um estudo mais aprofundado ver Groover et al 1986 Fu et al 1987 Craig 1989 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 Controlo de Rob s 53 Assim a matriz de transformac o apresenta a mudanca de coordenadas entre dois eixos de uma forma compacta Se os eixos t m a mesma origem a matriz de rota o reduzida Se existirem mais do que dois sistemas de refer ncia tamb m se definem matrizes de transforma o compostas obtidas por um processo id ntico ao anterior Por exemplo considerem se tr s sistemas de refer ncia Oo O1 O arbitrariamente transladados e orientados relativamente uns aos ou
96. n Tasks 17 IAARC Taipai Taiwan 2000 Pires e S da Costa 2000 Pires J Norberto S da Costa J M G Object Oriented and Distributed Approach for Programming Robotic Manufacturing Cells IFAC Journal on Robotics and Computer Integrated Manufacturing February 2000 Pires et al 2001 Pires J Norberto Loureiro A Godinho T Ferreira P Fernando B Morgado J Using Object Oriented and Distributed Software to assist Industrial Robotic Welding Applications Submitted to IEEE Robotics and Automation Magazine July 2001 Pires 2002 Pires J Norberto Automa o Industrial LIDEL ETEP Edi es T cnicas e Profissionais 2002 Bibliografia 150 Rehg 1994 Rehg J A Computer Integrated Manufacturing Prentice Hall 1994 Rembold et al 1993 Rembold U et al Computer Integrated Manufacturing and Engineering Addison Wesley 1993 Rogerson 1997 Rogerson D nside COM Microsoft Press 1997 Rosheim 1994 Rosheim M Robot Evolution The Development of Anthrobots New York John Willey amp Sons 1994 Russel 1990 Russel R A Robot Tactile Sensing Prentice Hall 1990 Salant 1990 Salant Michael A Introdu o Rob tica McGraw Hill 1990 Sandler 1999 Sandler Ben Zion Robotics Designing the Mechanisms for Automated Machinery 2 edition Academic Press United States of America 1999 Santos e Quintino 1992 Santos J F O Quintino L Automatizac o e
97. nal 132 123 sinal q2 sinal q2 qo sinal rj3 131 sinal q3 sinal qs qo sinal r21 r12 Usar Quat rnios apesar de menos intuitivo mais eficiente do ponto de vista computacional pois tanto em termos de multiplica o como de rota o em torno de um vector gen rico com os Quat rnios necessitamos de menos opera es matem ticas para chegare ao resultado comparativamente com as matrizes de rota o Fu et al 1987 Controlo de Rob s 61 3 5 CINEM TICA DE UM ROB MANIPULADOR A Cinem tica a parte da F sica que procura descrever e caracterizar o movimento usando descri es geom tricas vari veis de posi o e as respectivas derivadas isto velocidade acelera o e todas as outras derivadas de ordem superior A rela o entre esse movimento e as for as e momentos que o originam o objectivo da Din mica Craig 1989 Tendo em conta a variedade e complexidade das estruturas que comp em os rob s manipuladores a Cinem tica descreve o movimento relativo dos v rios sistemas de refer ncia medida que a estrutura se movimenta associando sistemas de refer ncia s v rias partes da estrutura Figura 3 17 adaptada de Pires 2002 Figura 3 17 Sistemas de refer ncia Controlo de Rob s 62 A Cinem tica de um rob estuda o movimento deste em relac o a um sistema de coordenadas que se t
98. nar a velocidade linear e angular conveniente considerar a derivada da matriz de rota o em rela o ao tempo Sciavicco e Siciliano 1996 Considerando a matriz de rota o em fun o do tempo R R t e aplicando a propriedade ortogonal temos a matriz S 3x3 sim trica desde que S t S t 20 se multiplicarmos ambos os lados da express o a por R t obtemos esta express o permite concluir que a derivada de R t em rela o ao tempo fun o de R t de ela pr pria Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 75 Considerando um vector p constante e o vector p t R t p a derivada em relac o ao tempo de p t p t R t p p t S R t p Se o vector t designar a velocidade angular do eixo R t em rela o ao eixo de refer ncia tempo t entao A matriz S t descreve um vector produto entre o vector e o vector R t p A matriz S t sim trica representando na diagonal principal as componentes do vector t lo I na forma 0 o 0 S 0 O 0 O 0 a qual justifica a express o S t S e t Por outro lado se R a matriz de rotac o o vector pode ser representado na seguinte relac o R S o R S R o Velocidade do Elo Considerando um elo gen rico i de um manipulador numa cadeia cinem tica aberta e de acordo com a nota o de Denavit Hartenberg o elo i est ligado junta i e 1 1 O eixo i est ligado ao elo i e tem origem ao
99. nce Publishers 1986 McKerrow 1986 McKerrow Phillip John Robotics an Academic Discipline Robotics 2 3 pp 267 274 McKerrow 1991 McKerrow Phillip John Introduction to Robotics Addison Wesley Publishing Company Singapore 199 Miyatake e Kangari 1993 Miyatake Y Kangari R Experiencing Computer Integrated Construction ASCE Journal of Construction Engineering and Management vol 119 n 2 1993 Myhr 1999 Myhr M Industrial New Trends ABB view of the Future International Workshop on Industrial Robotics New Trends and Perspectives Parque das Na es Lisboa 1999 Bibliografia 149 Nachtigal 1990 Natchtigal C L Instrumentation and Control Fundamentals and applications Wiley Interscience 1990 Nof 1999 Nof S Y Handbook of Industrial Robotics 2 edition 1999 Oppenheim 1990 Oppenheim J J Robots in Construction en Concise International Encyclopedia of Robotics John Wiley and Sons 1990 Pall s 1989 Pallas R Tansductores de react ncia variable y electromagn ticos en Transductores y acondicionadores de sen l Marcombo Barcelona 1989 Paul 1981 Paul R P Robot Manipulators Mathematics Programming and Control the MIT Press Massachusetts 1981 Pedrettii 1981 Pedrettii C Leonardo Architect New York Rizzoli International Publications 1981 Pires 2000 Pires J Norberto Using Actual Industrial Robot Manipulators With Constructio
100. ncia Oo xoyozo Figura 3 18 12 Fu et al 1987 Craig 1989 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 apresentam um estudo detalhado sobre este tema Controlo de Rob s 64 Figura 3 18 Descri o da posi o e orienta o do eixo da ponta do rob Assim n s a e p s o fun es do vector q de v rias juntas O sistema Og XoYoZo termina na base O sistema de eixos colocado no fim do bra o termina na ponta do rob e a sua escolha deve ter em conta a geometria particular da tarefa a realizar Se a ponta do rob for uma garra a origem do eixo de refer ncia a colocar na ponta do rob deve ser localizada no centro da garra o vector unit rio a Ig escolhido para a direc o de aproxima o ao objecto o vector unit rio s a normal a a no plano de deslocac o e o vector unit rio n a normal aos dois vectores anteriores Sciavicco e Siciliano 1996 Para manter a descric o da Cinem tica independente dos sistemas de refer ncia bem como do tipo de estrutura utiliza se um conjunto de par metros que descrevem a estrutura usada Esse conjunto de par metros e o conjunto de regras de defini o constituem uma nota o A nota o que utilizaremos ser a nota o de Denavit Hartenberg Controlo de Rob s 65 Notac o de Denavit Hartenberg Desde que cada junta ligue dois ou mais elos consecutivos podemos considerar primeiro uma descri o da rela o cinem tica entre elos co
101. ns etc Mais recentemente Nicola Tesla 1845 1943 construiu um modelo de um barco tele comandado atrav s de impulsos hertzianos codificados Inicialmente os aut matos projectados pelos Gregos tinham fins l dicos est ticos e contemplativos faltando lhes a no o de aplicabilidade pr tica contributo este dado pelos rabes cujas cria es demonstravam a par das preocupa es est ticas e de entretenimento preocupa es de utilidade a t tulo exemplificativo veja se o Lavat rio de M os Hayes 1983 Rob uma palavra eslava que deriva de robota significando trabalho Sciavicco e Siciliano 1996 Foi divulgada em 1921 pelo checoslovaco Karel Apresentam se aqui alguns exemplos de cientistas que projectaram e constru ram m quinas capazes de executar algumas tarefas humanas de forma incans vel e obediente o leitor interessado numa descri o hist rica mais detalhada poder consultar Pedrettii 1981 Tesla 1983 e Rosheim 1994 Pesquisa Bibliogr fica 9 2 x Capek no seu romance Rossum s Universal Robots Capek descreveu os rob s como m quinas com bragos trabalhando duas vezes mais que os humanos de forma incans vel eficiente e obediente Distintamente de Capek que considerou que os rob s se tornariam mal volos e dominariam o mundo Asimov defendeu que a construc o de rob s seguiria uma linha positiva e ben fica Nof 1999 concebendo os como aut matos de apar
102. nsecutivos e posteriormente obter uma descri o geral da cinem tica de um manipulador Sendo assim a representa o da posi o e orienta o de um corpo r gido til na obten o de uma composi o de coordenadas de transforma o entre dois tramos consecutivos Em geral os tramos podem ser escolhidos arbitrariamente Para a defini o dos elos importante considerar as seguintes regras Fu et al 1987 Sciavicco e Siciliano 1996 1 Identificar para cada junta o eixo de rota o As juntas devem ser numeradas consecutivamente de 1 a N 2 Identificar a perpendicular comum entre cada dois eixos consecutivos ou o ponto de intersec o A origem do sistema de refer ncia 1 deve ser colocado no ponto de intersec o ou no ponto em que a perpendicular comum intersecta o eixo de rota o da junta 1 3 Colocar Z ao longo do eixo de rota o da junta i 4 Colocar X a seguir a perpendicular comum ou no caso dos eixos de rota o se intersectarem fazer X perpendicular ao plano contendo os dois eixos de rota o 5 Colocar o sistema de refer ncia 0 associado base do rob e Zo ao longo do eixo de rota o 1 O sistema de refer ncia N deve ser escolhido de forma a anular o maior n mero de par metros Controlo de Rob s 66 EIXO EIXO EIXO JUNTA i 1 JUNTA i JUNTA i Figura 3 19 Parametros cinematicos de Denavit Hartenberg Considerando a Figura 3 19 Sciavicco e Siciliano 1996
103. nterm dio de caminhos pr definidos eventualmente repetitivos ou meios estruturados com refer ncias identific veis pelos rob s Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 108 A quest o da locomo o est tamb m ligada quest o da realiza o de tarefas repetitivas ou n o em local fixo Na verdade alguns dos trabalhos desenvolvidos em obra envolvem opera es repetitivas na acep o de que requerem a repeti o de ciclos de movimento No entanto a localiza o do trabalho est constantemente a mudar o que implica a sistem tica mudan a da posi o do rob em regra atrav s de uma transla o ap s a qual se iniciaria um novo ciclo Groover et al 1986 Por outro lado nos estaleiros e respectivas obras associadas coexistem um grande n mero de diferentes actividades com in meras especificidades e com pequeno grau de repetividade o que para al m da quest o da sua mobilidade exige ao rob ter capacidade de se adaptar com facilidade s diferentes ferramentas pinc is martelos berbequins etc N o menos importante ser prover os rob s de capacidades para o reconhecimento dos ambientes diversificados em que operam estaleiros ou seja a maioria das capacidades requeridas implicaria o recurso vis o artificial permitindo superar obst culos percorrer traject rias pr definidas identificar pontos de refer ncia etc Por outro lado sabemos que muitas das tarefas de constru o s o executa
104. o 3 CONTROLO DE ROB S 3 1 INTRODUCAO A movimentac o dos rob s e a manipulac o de objectos implicam o conhecimento da sua posi o e orienta o especialmente da extremidade do rob Aspecto particularmente importante o estudo do controlo do rob e a an lise da interac o entre ele pr prio e o meio envolvente Neste cap tulo apresentam se diferentes ferramentas matem ticas com esse objectivo Para o controlo de rob s necess rio um modelo cinem tico e din mico A cinem tica permite relacionar a posi o e a orienta o do elemento terminal do rob com os valores das suas coordenadas articulares A din mica permite conhecer a rela o entre o movimento do rob e as for as que o originam Este cap tulo faz refer ncia aos conceitos fundamentais da cinem tica e din mica de rob s manipuladores industriais 3 2 CONCEP O E PROJECTO DE UM ROB O processo de concep o e projecto de um rob passa por tr s fases fundamentais an lise da tarefa an lise da estrutura do rob e an lise funcional do rob A cada uma destas fases corresponde um trabalho espec fico A an lise da tarefa e do respectivo processo produtivo consiste na determina o de tarefas mais espec ficas m todos e ferramentas a utilizar em cada uma das fases da sua realiza o Ap s esta primeira fase passa se an lise da estrutura do rob que inclui as suas especifica es funcionais o design de concep o e o detalh
105. o de redes industriais interligando os controladores dos rob s e outros equipamentos devidamente segmentados em c lulas funcionais e linhas de produ o permite a constru o de aplica es distribu das baseadas em computadores pessoais aliando sua capacidade de processamento e de programa o as funcionalidades dos controladores dos rob s Deste modo poss vel a gest o e monitoriza o de c lulas de trabalho das linhas de produ o e de todo o processo produtivo O processo de soldadura desenvolvido ser integrado em sistemas de produ o organizados segundo uma estrutura hier rquica do tipo CIM Esta estrutura permite o desenvolvimento de interfaces com o utilizador disponibilizando informa o on line sobre um rob controlador espec fico ou conjunto de rob s controladores de uma determinada c lula ou linha funcional de produ o Vai funcionar em plataformas estandardizadas j utilizadas em ambiente industrial Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 122 permitindo a integrac o de novas funcionalidades atrav s de ambientes de programa o largamente divulgados Para que o utilizador n o visualize os pormenores de comunica o em rede acesso a hardware etc utilizam se objectos os quais podem ser constru dos com o recurso a v rias tecnologias dispon veis Para este trabalho usaram se objectos constru dos com a tecnologia Controlos ActiveX j anteriormente desenvolvidos pelo co
106. o eixo i o eixo da junta que liga o elo 1 1 ao elo i A chamada nota o de Denavit Hartenberg adoptada para definir o eixo i do elo Selec o do eixo z ao longo do eixo da junta i41 Localizar a origem O na intersec o do eixo Z com a normal linha que cont m a m nima dist ncia entre duas linhas ao eixo Z e Zi Selec o do eixo x ao longo da normal com o eixo zi e Z com a direc o da junta i at junta i 1 Selec o do eixo yi A nota o de Denavit Hartenberg d nos uma defini o do eixo do elo nos seguintes casos Para mais conhecimentos sobre esta tem tica consultar Denavit e Hartenberg 1955 Paul 1981 Fu et al 1987 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 Controlo de Rob s 67 Para o eixo 0 s a direc o do eixo zo especificada ent o a escolha de Og e xo pode ser arbitr ria Para o eixo n s a escolha do eixo x limitada normal ao eixo Zn 1 Quando os dois eixos consecutivos s o paralelos a normal entre eles n o est definida Ox Quando dois eixos consecutivos se intersectam a direc o x arbitr ria Ox Quando uma junta i prism tica s a direc o do eixo zi determinada Uma vez os elos estabilizados a posi o e orienta o do eixo i em rela o a i 1 s o obtidas pelos seguintes par metros a Dist ncia entre O e O d Coordenada de O ao longo de z 1 U Angulo entre os eixos z e Z em rela
107. o longo do eixo x e rota o o em torno do eixo x a sequ ncia alinha o eixo de refer ncia com o eixo 1 e descrita pela matriz de transforma o 4 A resultante da transforma o de coordenadas obtida por Cs Sala SoSo ds TE S Ca C C S a s 1 Ai 8 8 o 8 a i 8 A q A A 0 d Sa Ca i 0 0 0 1 Nota c cos s sin C cos a s sin a Controlo de Rob s 69 De referir que a matriz de transforma o do eixo i para i 1 apenas fun o das juntas vari veis 1 isto 9 para juntas de revolu o ou di para juntas prism ticas 3 5 2 ESPACO DA JUNTA E ESPACO OPERACIONAL Como foi descrito a equa o da cinem tica directa do manipulador permite representar a posi o e a orienta o do eixo da ponta do rob como uma fun o da vari vel da junta em rela o ao eixo da base Se a tarefa for espec fica da ponta do rob necess rio assinalar a posi o e a orienta o do elemento terminal do rob como uma fun o do tempo traject ria A posi o pode ser descrita por um n mero m nimo de coordenadas com vista geometria da estrutura A orienta o pode ser especificada em termos de uma representa o m nima descrevendo a rota o do eixo da ponta do rob em rela o ao eixo da base isto ngulos de Euler ou ngulos RPY Deste modo poss vel descrever a posi o e a orienta o do manipulador atrav s de um vector mx1 com m lt n 4 onde p de
108. o prazo e um trabalho futuro deve ser direccionado no sentido de ultrapassar esta dificuldade Um outro campo de investigac o visar a obtenc o de melhorias na estrutura mec nica dos rob s a qual deve ser cada vez mais leve e flex vel Ser igualmente necess ria investigac o para desenvolver rob s especializados com capacidade para trabalhar no exterior e em meios nao estruturados e perigosos permitindo assim ainda que a longo prazo e no desempenho de tarefas limitadas a introdu o de rob s em estaleiro Conclus es e Desenvolvimentos Futuros 145 BIBLIOGRAFIA Appleton e Williams 1987 Appleton E Williams D J Industrial Robot Applications Halsted Press John Wiley and Sons y Open University Press 1987 Asimov e Frenkel 1985 Asimov L Frenkel K A Robots M quinas a imagen y semejanza del hombre Plaza y Jan s 1985 Balaguer 2000 Balaguer C Open Issues and Future Possibilities in the eu Construction Automation 17th IAARC Taipei Taiwan 2000 Barrientos et al 1997 Barrientos A Pe n L F Balaguer C Aracil R Fundamentos de Rob tica Universidad Polit cnica de Madrid McGraw Hill Espafia 1997 Blume e Jakob 1986 Blume C Jakob W Programming Languages for Industrial Robots Springer Verlag Berlin 1986 Bottema e Roth 1979 Bottema O Roth B Theoretical Kinematics North Holland Amsterdam 1979 Box 1998 Box D Essential COM Addison
109. ob Neste cap tulo apresentam se diferentes ferramentas matem ticas para este fim Por outro lado para o controlo de rob s fundamental o estudo dos seus modelos cinem tico e din mico A cinem tica permite relacionar a posi o e a orienta o do elemento terminal do rob com os valores das suas coordenadas articulares O modelo din mico tem por objectivo conhecer a rela o entre o movimento do rob e as for as que o originam Estes modelos s o tamb m objecto de estudo neste terceiro cap tulo No quarto cap tulo analisa se a viabilidade de utiliza o de sistemas rob ticos na ind stria da constru o considerando se que um dos campos privilegiados a pr fabrica o pois desenvolve se em ambientes conhecidos e controlados ambiente fabril e os rob s dispon veis no mercado respondem em regra s necessidades requeridas Seguidamente descreve se um modelo de robotiza o desenvolvido por um grupo de investiga o do Laborat rio de Rob tica Industrial do DEM UC no qual a Apresenta o do Trabalho 5 candidata se integrou e no seio do qual se procedeu ao desenvolvimento de um prot tipo de soldadura robotizada para utiliza o numa das maiores empresas nacionais de constru es met licas Para o quinto cap tulo reservaram se as conclus es desta tese Nele salientamos os pontos principais no sector da constru o onde ser pertinente apostar na robotiza o Apesar dos obst culos com que nos dep
110. oma como refer ncia Nela s o importantes dados como a posi o a velocidade a acelera o e outras vari veis de posi o em rela o ao tempo ou seja a descri o anal tica do movimento espacial do rob como uma fun o do tempo A Cinem tica dos manipuladores permite ent o o estudo e defini o de todas as propriedades geom tricas e tempo baseadas no movimento tendo como objectivo fundamental a conjuga o da rela o entre a posi o e orienta o do elemento terminal do manipulador com os valores que tomam as suas articula es Craig 1989 Um primeiro problema a resolver visa determinar qual a posi o orienta o do elemento terminal do rob em rela o a um sistema de coordenadas que se toma como refer ncia conhecidos os valores das articula es posi es angulares de cada junta e os par metros geom tricos dos elementos do rob Este designado por Problema Cinem tico Directo Um outro problema consiste em saber qual a configura o que um rob deve apresentar para uma posi o orienta o e velocidade do elemento terminal do rob conhecidas Este considerado o Problema Cinem tico Inverso Fu et al 1987 Barrientos et al 1997 Estas transforma es envolvem tr s espa os de representa o diferentes espa o dos actuadores motores espa o das juntas e espa o cartesiano M Veja se Fu et al 1987 Craig 1989 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 e Nof
111. ons vel pela tarefa de controlar a estrutura mec nica coordenando a ac o dos motores das juntas do rob de acordo com a informa o sensorial de posi o e velocidade e por vezes de acelera o e do movimento a executar previamente programado Assim o rob tem capacidade de programa o local armazenamento de informa o algoritmos de controlo e planeamento de traject rias que implicam a exist ncia de modelos cinem ticos e din micos para descrever a estrutura do rob e o respectivo movimento A arquitectura do software uma arquitectura gen rica baseada em objectos que utiliza as capacidades do sistema de controlo original do rob num ambiente distribu do Cliente Servidor recorrendo aos modelos de programa o que se descriminam Pires e S da Costa 2000 Cliente Servidor necess rio ter um c digo do servidor a correr em cada equipamento que recebe chamadas de computadores remotos clientes executando as e devolvendo os resultados Chamadas remotas RPC Remote Procedure Calls permite implementar comunica es entre um cliente e o servidor de aplica es distribu das O cliente faz o que parece ser um procedimento de chamada local embora a fonte n o seja local O mecanismo de RPC que est a ser usado traduz essa chamada numa comunica o via rede network O servidor recebe o pedido executa o de acordo com a parametriza o fornecida e devolve os resultados Partilha de dados Da
112. ordenador do grupo de trabalho Professor Doutor J Norberto Pires A tecnologia COM OLE ActiveXP foi desenvolvida pela DEC Microsoft e suportada por plataformas Win32 para as quais existem boas ferramentas de desenvolvimento integradas em pacotes como o Microsoft Visual C com disponibilidade de documenta o detalhada e de acesso f cil mesmo atrav s da Internet Para que o rob receba instru es a partir do PC necess rio a sua programa o e um software de controlo Para o software de controlo utilizou se a tecnologia ActiveX para a programa o cada fabricante de rob s utiliza uma linguagem espec fica por exemplo os rob s da ABB s o programados com uma linguagem RAPID enquanto os rob s da FANUC utilizam uma linguagem KAREL Sublinhe se que todo o software a utilizar embora especifico para um rob manipulador ABB IRB1400 e respectivo controlador ABB S4 M95 que existe no Laborat rio de Rob tica Industrial DEM UC ser adaptado para poder ser usado nos rob s FANUC mais concretamente no FANUC M16 1001 com o controlador RJ3 rob s existentes no parceiro industrial interessado na presente aplica o Das v rias tecnologias existentes para a constru o de objectos optou se pela Controlos ActiveX porque o grupo de trabalho do Laborat rio de Rob tica Industrial do DEM UC j tem alguma experi ncia nesta tecnologia S Box 1998 e Rogerson 1997 Utiliza o de Rob s na Ind stria da Const
113. os constituindo Sistemas Flex veis de Produ o SFP A flexibilidade resulta do facto de estes sistemas serem constitu dos por equipamentos program veis e facilmente reconfigur veis como por exemplo rob s manipuladores que conseguem executar uma grande diversidade de tarefas muitas delas de uma forma quase humana Pires 2000 Tais sistemas permitem aumentar a produ o e a qualidade baixando o prego 7 CIM Computer Integrates Manufacturig Kusiak 1986 Waldner 1992 Rembold et al 1993 Rehg 1994 e Balaguer 2000 O que n o novidade uma vez que intervir na concepc o na organizac o e nos m todos de trabalho e de produg o tendo em conta o estado de evolug o da t cnica permite optimizar o emprego dos recursos dispon veis equipamentos e instala es fabris Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 112 Nos ltimos tempos em especial no Jap o assiste se tentativa de adapta o do conceito CIM industria da constru o no sentido da utiliza o crescente de componentes apostando claramente numa tecnologia de pr fabricac o O CIM deu lugar ao CIC Computer Integral Construction cujo sucesso se tem manifestado apenas no planeamento e na rela o com os fornecedores e n o no pr prio processo de produ o em grande parte porque a ind stria da constru o tamb m no Jap o muito conservadora n o respondendo afirmativamente inova o tecnol gica Miyatake e
114. oss vel encontrar uma solu o final Podem existir solu es m ltiplas Podem existir solu es infinitas Pode n o existir uma solu o admiss vel do ponto de vista da estrutura cinem tica de um manipulador 4 Para um estudo mais pormenorizado sobre esta tem tica consultar Fu et al 1987 Craig 1989 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 Controlo de Rob s 72 A exist ncia de solu es est garantida se a posi o e orienta o da ponta do rob manipulador pertencer ao seu espa o de trabalho com destreza Por outro lado a exist ncia de solu es m ltiplas depende do n mero de graus de mobilidade e dos par metros de Denavit Hartenberg que admitem um grande n mero de solu es Sciavicco e Siciliano 1996 3 5 5 CINEM TICA DIFERENCIAL A Cinem tica Diferencial estabelece a rela o entre a velocidade das juntas e a velocidade angular e linear da ponta do rob Esta rela o designada na forma matricial como Jacobiano geom trico o qual depende da configura o do manipulador Por outro lado se a localiza o da ponta do rob expressa em refer ncia a uma representa o m nima no espa o poss vel conjugar a matriz Jacobiana por diferencia o da fun o cinem tica directa em rela o s juntas vari veis A resultante Jacobiana designa se por Jacobiano anal tico O Jacobiano constitui uma das mais importantes ferramentas que caracterizam um manipulador
115. otina RAPID Ethernet Controlador Figura 4 4 Estrutura do sistema a implementar Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 119 O sistema de soldadura constitu do pela m quina de soldadura tocha de soldadura Figura 4 5 Um computador PC que permite o controlo geral do sistema o PC que cont m os algoritmos de processamento de imagem que permite obter as caracter sticas das pe as a soldar bem como a traject ria a seguir Os algoritmos de controlo est o igualmente implementados no PC e s o eles que permitem gerar os dados quer para a traject ria da tocha da soldadura quer para os par metros de soldadura Ao PC cabe tamb m a comunica o com o controlador do rob Deste modo o PC gere a aquisi o de dados controla a posi o do rob e selecciona os par metros de soldadura usados no processo em conformidade com uma base de dados O controlador do rob recebe do PC os dados de posi o e orienta o da tocha e os dados dos par metros de soldadura ficando respons vel pelo movimento da tocha e pela liga o ao controlador dos par metros de soldadura O rob o elemento onde est instalada a tocha sendo respons vel pelo seu posicionamento sobre as pe as a soldar Tocha de soldadura Figura 4 5 Tocha de soldadura Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 120 Neste sentido o rob industrial controlado pelo sistema electr nico computorizado controlador resp
116. pi itl pi A HIS a HG Oy R O R08 Zig 0 Zi i i l No caso da junta i 1 ser prism tica temos PNE P Q R O O c lculo da acelera o angular definido por dia iR l o Pat O o Pa 0 i i no caso da junta 1 1 ser uma junta prism tica temos ida Las v i EA T i l To did s dudo Di RI Pi t W P d 2 Oi dia Zi tdi Zi Na obtenc o da acelerac o linear do centro de massas de cada elo usamos is Vo Po O o Po Controlo de Rob s 87 Para o caso particular do elo i temos 0 Ap s termos calculado a acelera o angular do centro de massas de cada elo e aplicando a equa o de Newton Euler podemos calcular a for a de in rcia e o momento que actua no centro de massas de cada elo Craig 1989 F m4 CT 1 N I6 o onde C tem origem no centro de massas de cada elo e a mesma orienta o do eixo 1 do elo Cada elo tem for as e momentos aplicados pelos seus elos vizinhos Figura 3 25 Figura 3 25 A forca de equil brio incluindo forcas de in rcia para um elo simples de um manipulador Se f forca exercida no elo i pelo elo 1 1 Ni momento exercido no elo 1 pelo elo 1 1 Controlo de Rob s 88 efectuando o somat rio das forcas aplicadas no elo i temos F i ED iR f i i i l e efectuando o somat rio dos momentos obtemos reorganizando as equa es de for a e momento obtemos if ipit f
117. posta a solicita es por parte das empresas de constru o civil Na opera o de soldadura industrial o trabalho dos rob s vai consistir na soldadura de estruturas met licas pe as com diferentes dimens es A aplica o e os exemplos analisados nos pontos seguintes fazem parte de uma aplica o na rea da soldadura industrial levada a efeito no Laborat rio de Rob tica Industrial do Departamento de Engenharia Mec nica da Universidade de Coimbra DEM UC Pretende se explorar a capacidade de interface via computador com o operador e o software poderoso e de f cil utiliza o para programa o base de dados etc 4 5 1 PROCESSO DE SOLDADURA Uma opera o de soldadura tem como objectivo assegurar a uni o das pe as a ligar de modo a obter quer a continuidade met lica quer a continuidade mec nica Neste processo utiliza se sempre uma fonte de energia para realizar a liga o provocando a fus o do metal de adi o o metal de base ou de ambos Santos e Quintino 1992 Dos v rios processos de soldadura que podem ser robotizados o mais utilizado o processo de soldadura designado MIG MAG l Foi solicitado ao Laborat rio de Rob tica Industrial do Departamento de Engenharia Mec nica da Universidade de Coimbra por parte de um parceiro industrial Empresa Nacional de Constru o Met lica o desenvolvimento de uma aplica o com vista a robotizar as suas linhas de produ o fabril Utiliza o de Rob s na
118. postar em sistemas gen ricos program veis facilmente adapt veis de modo a torn los cada vez mais flex veis e com custo de implementa o cada vez mais acess vel s necessidades de fabrico especificas existentes na pr fabrica o o que obriga exist ncia a montante da constru o de uma ind stria em que as tarefas s o executadas em ambientes fabris controlados e n o nos actuais estaleiros de obra Deste modo a possibilidade de incorporar uma percentagem significativa de pr fabrica o no sector da constru o constitui simultaneamente o campo privilegiado e o mais vi vel de aplica o da rob tica nesta ind stria Ao longo deste trabalho sublinhou se que por defini o o rob industrial multifuncional caracter stica que permite a sua aplica o a um n mero quase ilimitado de fun es Os desenvolvimentos pr ticos efectuados durante a elabora o deste trabalho mostram que a robotiza o ptima em determinados processos como a paletiza o e a soldadura o que vem confirmar trabalhos anteriores A utiliza o de rob s no processo de soldadura constitui mesmo a aplica o mais difundida e uma solu o rent vel Cremos que se justifica a sua aplica o pelas condi es intr nsecas do trabalho em causa Ambiente de risco temperaturas elevadas exposi o a radia es inala o de fumos poeiras gases etc Grau de repetitibilidade elevado tornando a cansativa com a consequente p
119. pulador que realiza as sucessivas etapas de uma tarefa de acordo com um m todo pr determinado e invari vel dif cil de modificar Classe 3 Rob de sequ ncia vari vel do mesmo tipo do da classe 2 mas as etapas podem ser modificadas facilmente Classe 4 Playback rob operador humano realiza a tarefa manualmente guiando ou controlando o rob que memoriza a traject ria O rob pode ent o realizar esta tarefa de modo autom tico recorrendo informa o anteriormente armazenada Classe 5 Rob de controlo num rico o operador humano introduz um programa no rob em vez de o ensinar manualmente Classe 6 Rob inteligente rob com meios para compreender o seu ambiente e habilidade para completar com sucesso uma tarefa mesmo que haja varia es nas condi es que o rodeiam e nas quais a tarefa tem de ser realizada ambiente de trabalho JIRA Japonese Industrial Rob Association Pesquisa Bibliogr fica 16 O Instituto do Rob Americano RIA apresenta uma defini o mais restrita de rob um manipulador multifun es program vel desenhado para movimentar material pe as ou mecanismos especializados atrav s de v rios movimentos program veis para o desempenho de diversas tarefas Schlussel 1985 Barrientos et al 1997 Na classifica o RIA somente as m quinas das classes 3 4 5 e 6 da classifica o JIRA s o consideradas rob s A Associa o Francesa de Rob tica Industri
120. q tq 1 onde S representa a parte escalar e V representa a parte vectorial Para se utilizar os Quat rnios como metodologia de representa o de orienta es associa se uma rotac o de um ngulo 0 sobre um vector k sendo o Quat rnio definido por 0 0 Rot k 0 ksin O Rot k 0 cos 2j Hamilton 1969 Fu et al 1987 e Barrientos et al 1997 apresentam um estudo detalhado sobre esta tem tica Controlo de Rob s 59 Assim os Quat rnios definem uma rota o 0 em torno de um vector equivalente k definidos da seguinte forma Fu et al 1987 k k i k j k 2 RN E P x Rot k 0 ex 2 isin 2 2 verificando as seguintes propriedades qo q q tq 1 Q Q S S S Vi S V Vi V 0 0 5 tS Vi V A matriz de rota o R equivalente a um determinado Quat mio Q de componentes 96 4143 s v definida por 1 2 q 2 q gq q go 2 q q q Go R 2 q 4 4340 1 2 q 2 q q a a go 2 g g3 d gt do 2 3 4 a4 q 1 2 g 2 q Controlo de Rob s 60 Inversamente dada uma matriz de rotac o R o Quat rnio O equivalente obtido a partir de R r Ty ra D Ty I ler tty r A _ ltt in B T _ t q YY qo 2 2 ETE S 4E rs T i qo 437 2 2 em que o sinal dos elementos definido por qo 0 180 0 180 este normalmente o caso dos rob s manipuladores comerciais sinal g1 sinal qi qo si
121. r em termos de programa o 4 5 UMA APLICA O PR TICA Uma das reas industriais em que a viabilidade do emprego de rob s menos problem tica a soldadura Tal decorre essencialmente das seguintes raz es Um grande n mero e variedade de produtos no processo de constru o requerem opera es de soldadura estruturas met licas por exemplo A soldadura considerada uma opera o de risco para o homem devido ao seu contacto com temperaturas elevadas exposi o a radia es do arco el ctrico infravermelhos e ultravioletas inala o de fumos ricos em xidos poeiras gases etc Repetitividade e grande precis o exigida na realiza o da tarefa que faz dela uma actividade cansativa levando a produtividade do operador a decrescer ao longo do dia Exig ncia de grande qualifica o dos operadores o que acarreta a dificuldade de obter m o de obra especializada e capaz de responder exig ncia de produ o em v rios turnos A ind stria do sector autom vel foi a grande impulsionadora da rob tica industrial e mais especificamente da soldadura robotizada O processo de soldadura de carro arias consiste na uni o de duas pe as met licas num ponto por fus o conjunta de ambas as partes Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 115 Estas raz es justificam o facto da soldadura robotizada Figura 4 2 apresentar um crescimento exponencial a n vel mundial Figura 4 2 Soldadura Robotizad
122. ram Imediatly m Program Control P Prepare Program x Halt Program After Instruction flp1 weldina pra Delete Prog Load Prog Run Program Cycle x Halt Program After Cycle o r System State Messages OPERATION Auto Mode DESCRIPTION State Changed ROBOT CONTROLLER Run ERROR NUMBER 10007 PGM CONTROLLER Executing State LOG TEXT Program Started PROGRAM Initiated C J Norberto Pires Running under WinNT Figura 4 8 Painel de controlo do rob Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 129 O c digo do painel de controlo foi desenvolvido tendo por base todos os rob s ABB equipados com controlador da fam lia S4 Para exemplificar algumas das fun es do painel de controlo do rob apresenta se seguidamente o c digo para as fun es Motor ON Figura 4 9 e Motor OFF Figura 4 10 Com o bot o Motor ON o rob est apto para se movimentar e executar uma tarefa void CCtrpanelDlg Onmotoron nresult m pon MotorON if nresult 0 msg SetWindowText Motor On falhou Figura 4 9 C digo da fung o Motor ON O bot o Motor OFF permite imobilizar imediatamente o rob assim como terminar qualquer tarefa que esteja a executar void CCtrpanelDlg Onmotoron nresult m pon MotorOFF if nresult 0 msg SetWindowText Motor Off falhou Figura 4 10 C digo da func o Motor OFF Explorador de Ficheiros
123. ras rob e rob tica foram criadas por escritores desta rea tendo sobretudo por base o ponto de vista de Asimov Nof 1999 O desenvolvimento dos sistemas rob ticos seguiu inicialmente uma linha com objectivos n o produtivos de distrac o e entretenimento no entanto o acumular de experi ncias conhecimentos e t cnicas conduziu constru o e perfei o da maquinaria existente e consequentemente produ o inovadora de aut matos j com fins claramente produtivos 2 3 ROB TICA A rob tica uma disciplina que envolve conhecimentos de v rias reas do saber com o objectivo de desenvolver e integrar t cnicas e algoritmos para a cria o controlo e programa o de rob s com vista sua aplicabilidade na ind stria McKerrow 1986 Neste sentido preocupa se com o desenho constru o e aplica o de m quinas multifuncionais e reprogram veis os rob s capazes de n o s executar tarefas humanas mas tamb m solucionar problemas uma vez que t m a capacidade de identificar altera es colocadas quer pela pr pria tarefa quer pelo meio envolvente e tamb m decidir as ac es a desenvolver e execut las Cada vez mais nos deparamos com a necessidade de realizar tarefas com grande efici ncia e precis o em que por um lado a presen a humana se torna dif cil e arriscada e por outro lado at imposs vel Ora cada vez mais necess rio vi vel e til a presen a de rob s para as realizar sem co
124. rgas pesadas manuseamento de produtos t xicos quedas de altura e outras Estes apresentam se desde j como argumentos v lidos a favor da industrializa o da constru o alguns dos sistemas robotizados dispon veis no mercado com v rios n veis de sofistica o permitem responder s exig ncias atr s formuladas tornando poss vel automatizar algumas das m ltiplas tarefas que constituem o processo construtivo Sendo a actual ind stria de rob s constitu da por m quinas vers teis com poderosos ambientes de programa o e enorme flexibilidade de utiliza o podem com grande perfei o e precis o substituir o homem na realiza o de diversas tarefas pr prias do sector da constru o incluindo as tarefas de risco e em ambientes nocivos Uma leitura mesmo superficial deste facto traz impactos sociais claros a rob tica conduz ao temor pelo desemprego dos trabalhadores No entanto conv m sublinhar que n o se trata propriamente da redu o da m o de obra empregada no sector mas sobretudo de conseguir com a mesma m o de obra produzir cada vez mais em menor tempo contribuir para a redu o sens vel dos tempos de constru o e consequentemente redu o dos custos de produ o contribuir para a defesa da qualidade e por outro lado diminuir o risco inerente s v rias tarefas Da an lise do meio existente para a robotiza o na constru o chega se conclus o que as condi es de trabalho s o complexas
125. rrem geralmente em meio e condi es adversas Na pr tica a efectiva realiza o destas tarefas em larga escala por rob s implicaria equip los com meios de locomo o sensores e software que lhes conferissem possibilidades evolu das como o reconhecimento do ambiente de trabalho e a supera o de obst culos inerentes s actividades a executar Outra hip tese que ser analisada no corpo da Tese ser a da evolu o da ind stria da constru o no sentido da pr fabrica o Apresenta o do Trabalho 4 1 5 ORGANIZACAO DO TEXTO Dividiu se o trabalho em cinco cap tulos No segundo apresenta se uma an lise da bibliografia existente apontando alguns momentos hist ricos mais significativos relativamente ao surgimento desenvolvimento e utiliza o dos rob s Aborda se a rob tica como uma tecnologia interdisciplinar uma vez que recorre a conhecimentos provenientes de v rias reas cient ficas Inclui se um conjunto de defini es e classifica es com particular refer ncia aos elementos que fazem parte da constitui o dos rob s industriais manipulador ou estrutura mec nica actuadores sensores e sistema de controlo O terceiro cap tulo dedica se ao estudo do controlo de aut matos analisando se a interac o entre o rob manipulador e o seu meio envolvente Para que um rob se mova e manipule objectos necess rio definir a posi o e orienta o do respectivo objecto e em particular o extremo do r
126. rrer risco de vida Efectivamente sendo o rob industrial uma m quina flex vel por excel ncia program vel reconfigur vel e adapt vel pode executar tarefas pr ximas das humanas Da que actualmente se assista a uma necessidade crescente de se instalarem rob s oper rios nas f bricas os quais vieram revolucionar a produ o em s rie Pesquisa Bibliogr fica 11 Assim os rob s industriais s o componentes essenciais para a realizac o de sistemas de manufactura aut matos porque reduzem o custo de manufactura aumentam a produtividade melhoram a qualidade do produto e possibilitam a eliminag o de tarefas prejudiciais para os operadores humanos veja se tamb m Sciavicco e Siciliano 1996 Para algumas ind strias a evolu o da rea da rob tica continua a ser um factor de fulcral import ncia nomeadamente o aumento da mobilidade dos rob s a destreza e a autonomia das suas ac es cada vez mais fundamental introduzir uma maior flexibilidade nos ambientes de produ o ou seja flexibilidade de utiliza o em diferentes tarefas atrav s de mudan as de ferramenta e reprograma o Daqui resulta o conceito de automatiza o flex vel ou seja o desenvolvimento de Sistemas Flex veis de Produ o SFP por oposi o automatiza o r gida Note se que actualmente as empresas produzem em pequena m dia escala sistemas de produ o flex veis em que a defini o do produto feita muitas
127. ru o 123 Programac o do Rob A programa o de um rob consiste em indicar a sequ ncia de ac es por exemplo mover se entre pontos pr definidos ou manipular objectos em seu redor que o rob deve realizar durante a execu o da tarefa O m todo de programa o permite indicar a tarefa ao rob mediante o uso de uma linguagem de programa o espec fica No decurso do programa interactua se com a mem ria do sistema com o controlo cinem tico e din mico do rob e com as entradas sa das do sistema Atrav s da interac o com a mem ria do sistema poss vel ler e actualizar o conte do das vari veis utilizadas no programa com o sistema de controlo cinem tico e din mico do rob d se o sinal para accionar o rob a partir das especifica es do movimento que se lhes proporciona e finalmente com as entradas sa das do sistema obt m se a sincroniza o do rob com as m quinas e elementos que comp em o seu ambiente O sistema de programa o ent o a ferramenta com a qual o utilizador acede s diversas presta es do rob existindo uma rela o directa entre as caracter sticas e possibilidades do sistema de programa o e as caracter sticas do rob A flexibilidade em aplicar o rob depende em grande medida das caracter sticas do seu sistema de programa o Na base da aplica o em desenvolvimento esteve envolvido um rob da ABB que na sua programa o utiliza uma linguagem RAPID No
128. s O rob tem de estar equipado para trabalhar no exterior e em condi es adversas O rob deve ser f cil de mover porque est constantemente a ser transferido para sece es de trabalho diferentes ou de local de constru o para local de constru o O rob deve ser robusto para aguentar a sujidade e choques a que est sujeito no ambiente da constru o O rob deve ser suficientemente leve de modo a n o afectar as estruturas onde se move O rob deve necessitar de manuten o menos especializada do ponto de vista dos sistemas mec nicos e electr nicos que conjuga De tudo isto se infere que o uso dos rob s nos actuais estaleiros de obras depender da sua portabilidade da capacidade de se deslocarem de sentir o ambiente de processar os dados e informa o recebidos e com base em toda a informa o dispon vel executar uma tarefa As obras como locais n o estruturados constituem sobretudo um grande desafio sua mobilidade e reconhecimento do ambiente de trabalho Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 110 Em estaleiro as condi es de trabalho adversas a complexidade diversidade e pouca repetitividade das opera es a realizar n o tornam imposs vel a utiliza o de rob s De facto a tecnologia existente consegue ultrapassar os problemas referidos Tal n o no entanto economicamente vi vel mesmo com altera es significativas nos estaleiros estrutura o do ambiente modos vias d
129. s potencialidades de aplicabilidade da rob tica nas ind strias a montante com tarefas de fabrico executadas em ambiente controlado sob a forma de processos construtivos pass veis de execu o em meio fabril tradicional Neste trabalho desenvolve se uma aplica o de rob s manipuladores na execu o de soldadura de estruturas met licas sustentando a ideia da possibilidade de incorporar nas obras uma percentagem significativa de pr fabrica o executada por rob s PALAVRAS CHAVE Rob tica ind stria da constru o estaleiros pr fabrica o soldadura robotizada Resumo e Palavras Chave V ABSTRACT E KEYWORDS The robotics aims to replace men with machines essentially in intensive manual labour and in repetitive tasks has in the construction sector a vast field for the development of its applications because these activities are characteristizied for a big employment Robot manipulators in particular have features and a level of technical development that are quite capable of meeting the demands of the tasks of construction The potentialities and virtualities benefits in the advances robotics it would be a changes in the construction process from the conception and project phases to the execution of technologies in the building site The robotics research study for one side the robots performance in the production site of the construction industry building site and in the other hand the potentialities of robotics
130. screve a posi o da ponta do rob e a orienta o Esta representa o da posi o e orienta o permite a descri o das tarefas da ponta do rob em rela o ao n mero inerente de par metros independentes O vector x definido no espa o em que a tarefa do manipulador especificada espa o este normalmente chamado de espa o operacional Craig 1989 Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 70 Por outro lado o espaco da junta configurac o no espaco decomp e o espaco num vector nx1 de vari veis de junta em que q O se a junta de revolu o e q di se a junta for prism tica Tendo em conta que a posi o e orienta o dependem das juntas vari veis a equa o da cinem tica directa pode ser escrita da seguinte forma x k q Sciavicco e Siciliano 1996 3 5 3 ESPA O DE TRABALHO O campo operacional onde o rob executa o seu desempenho designado por espa o de trabalho Este a regi o descrita pela origem do eixo da ponta do rob quando todas as juntas do manipulador executam todos os movimentos poss veis O espa o de trabalho depende da geometria do manipulador e dos limites mec nicos das juntas Por vezes estabelece se a distin o entre espa o de trabalho de alcance e espa o de trabalho com destreza Espa o de trabalho com destreza a regi o em que a origem do eixo da ponta do rob pode ser descrita enquanto se obt m diferentes orienta es O espa o de trab
131. se deslocar ao longo de diversas direc es e tem na extremidade uma ferramenta end effector que lhe permite realizar o trabalho executado pelos seres humanos na ind stria Para al m disso essencial incluir na defini o de rob palavras como deslocamentos atrav s de direc es restritas ferramenta e trabalho em f brica A Divis o Internacional de Rob tica da Sociedade de Engenharia de Manufactura define um rob como sendo um manipulador multifun es reprogram vel utilizado para deslocar materiais ou outros objectos espec ficos atrav s da programa o de movimentos Veja se Koren 1985 Pesquisa Bibliogr fica 15 Na Enciclop dia Brit nica a palavra rob significa um mecanismo instrumental usado na ci ncia ou na ind stria para substituir o lugar do ser humano No livro A Glossary of Terms for Robotics rob um engenho mec nico que pode ser programado para desempenhar tarefas de manipulac o ou locomoc o sob um controlo autom tico Sandler 1999 Os Japoneses definem um rob como um mecanismo que substitui o trabalho humano Soska 1985 A Associac o de Rob s Industriais Japoneses JIRA classifica os rob s em seis categorias desde os manipuladores manuais at rob s inteligentes Schlussel 1985 Classifica o JIRA Classe 1 Manipulador dispositivo com varios graus de liberdade actuado por um operador Classe 2 Rob de sequ ncia fixa mani
132. seamento de materiais controlo de qualidade e montagem requerem graus sucessivos de comportamento inteligente aspectos importantes nos cap tulos do custo e desempenho industrial estes rob s da 1 gera o cedo se apresentam insuficientes Os sistemas de rob s da segunda gera o consistem na adi o de um processador computador a um controlador rob tornando poss vel responder em tempo real ao controlo de movimentos de cada grau de liberdade e assim efectuar movimentos coordenados da ferramenta ao longo de traject rias pr determinadas Sensores simples de for a rota o e proximidade podem ser integrados nestes sistemas rob ticos provendo os de alguns graus de adaptabilidade ao ambiente ou seja podem localizar classificar vis o detectar esfor os e adaptar os seus movimentos a essa informa o Assim os rob s da 2 gera o possuem melhores e maiores capacidades sobretudo pela aquisi o de informa o embora limitada do seu meio envolvente e actua o consoante essa informa o A maioria das aplica es de rob s da 2 gera o faz parte de uma manufactura aut mata Os sistemas de rob s da terceira gera o t m sido introduzidos ao longo dos ltimos anos Caracterizam se pela incorpora o de processadores m ltiplos em que cada opera o em sincronia desempenha fun es espec ficas Possui capacidade para planifica o autom tica de tarefas Um sistema t pico de rob s da 3 g
133. stru o 136 void CWeldajustDlg Onpulse float value 0 25 long valuer nResult m_pon WriteAnalog LPCTSTR aoFEED_REF amp value if nResult 0 m msg SetWindowText Failled to update anlog reference valuer 1 nResult m pon WriteDigital LPCTSTR doFEED amp valuer if nResult lt 0 m msg SetWindowText Failled to write digital output Sleep 500 valuer 0 nResult m pon WriteDigital LPCTSTR doFEED amp valuer if nResult lt 0 m msg SetWindowText Failled to write digital output Figura 4 16 C digo da fun o que permite controlar o arame na tocha 4 5 3 RESULTADOS PR TICOS Com a aplica o de rob s em opera es de soldadura pretendia se realizar soldaduras de um modo eficiente econ mico e com elevada precis o objectivos norteadores deste trabalho Ap s a cria o de todas as ferramentas requeridas o rob est apto a integrar um posto de trabalho na ind stria Figura 4 17 e a executar opera es de soldadura Figura 4 18 com a qualidade e precis o requeridas Figura 4 17 Mesa de trabalho e rob em posi o para executar uma soldadura Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 137 Figura 4 18 Execuc o de soldadura robotizada 4 6 CONCLUSAO Dadas as peculiares caracter sticas do ambiente da construc o falta de estrutura o e organiza o dos estaleiros complexidade diversidade e coexist ncia de tarefas entr
134. strutura resiste a um dado vector for a e momento com excep o do momento aplicado volta do eixo da junta temos que encontrar o momento a aplicar na junta de modo a manter o equil brio est tico no ponto essencial do eixo da junta com o vector momento aplicado no elo o qual calculado pela express o Craig 1989 Controlo de Rob s 83 No caso da junta i ser uma junta prism tica calculamos a forca actuante na junta do seguinte modo IPT i eT Z 3 6 DINAMICA DE UM ROBO MANIPULADOR O estudo dos manipuladores n o se baseia s em considera es cinem ticas for as posi es est ticas e velocidades al m destes necess rio considerar as for as necess rias impuls o do movimento Na Din mica de manipuladores temos de considerar as equa es de movimento para um manipulador em que o movimento surge pela ac o do movimento aplicado pelos actuadores ou a partir de for as externas aplicadas ao manipulador Deste modo deve se ter sempre presentes dois tipos de problemas o primeiro refere se a um dado ponto da traject ria 0 e 8 sendo necess rio encontrar o vector dos momentos 1 aplicados junta o segundo tipo de problema consiste em calcular como o mecanismo se move sob a aplica o de um conjunto de momentos nas juntas isto um dado momento 1 e calcular a resultante do movimento do manipulador 0 Be 8 Craig 1989 Normalmente apresentam se dois m todos para a derivac o das egua
135. sultado cosg sing Ol cos O sindl cosP sinP 0 Rey R e R y 2 R w sing cosp O 0 1 O sin cosP O 0 0 l sin2 O cos2 O 0 1 6 646 8 S C4040 75 6 Cosg SpCyC C 8 Sly C C SS SyCy SS e Em que C COS sp sing Cy Cosv So sin V Cy cosV s sin Controlo de Rob s 56 A rota o descrita pela representa o ZYX igual rota o dos Angulos RPY ngulos fixos X Y Z Figura 3 16 pois de uma forma geral tr s rota es em torno de eixos fixos origina a mesma orienta o dos eixos do sistema de refer ncia em movimento ngulos Fixos RPY Roll Pitch Yaw A representac o da orientac o em termos de ngulos RPY ngulos fixos em torno de X Y Z Figura 3 16 constitui uma representa o obtida pela composic o de rotac es elementares em relac o a um sistema de refer ncia fixo Neste caso o conjunto de ngulos 9 W representam as rota es definidas em rela o a um sistema de eixos fixo O novo sistema de refer ncia obt m se a partir do sistema de refer ncia fixo fazendo as rota es marcadas na figura seguinte e na ordem X Y Z Sciavicco e Siciliano 1996 Figura 3 16 Representac o dos ngulos RPY Fu et al 1987 Craig 1989 McKerrow 1991 Sciavicco e Siciliano 1996 e Barrientos et al 1997 apresentam um estudo detalhado sobre esta tem tica Controlo de Rob s 57 A rota o resultante a partir dos ngulos
136. ta Sharing h fun es que partilham entre o cliente e o servidor ficheiros programas base de dados etc Os servi os que utilizam partilha de dados ser o constru dos sobre RPC o qual fornece os meios para a transfer ncia de dados Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 121 Tendo os equipamentos actuais uma livraria de fun es que lhes permite desenvolver opera es complexas determinando a sua funcionalidade e alguma capacidade local de processamento um microprocessador capacidades de armazenamento de informa o e de comunica o em rede torna se poss vel disponibilizar as referidas opera es complexas via rede local num ambiente distribu do do tipo Cliente Servidor Esta estrutura permite atrav s do computador gerir uma c lula de produ o mediante um programa de gest o controlo e coordena o das opera es a executar pela referida c lula Para o efeito o software utilizado para realizar aplica es distribu das de monitoriza o e controlo usa uma linguagem estandardizada o Microsoft Visual Basic e o Microsoft Visual C baseada em plataformas PC a correr sistemas operativos Win32 nomeadamente Windows NT 2000 A referida estrutura permite ainda gerir a aguisic o de dados controlar e corrigir a posi o do rob conjuntamente com a selec o dos par metros da soldadura de acordo com uma base de dados usados para descrever o processo de soldadura Assim a utilizac
137. tes capazes Pesquisa Bibliogr fica 13 de realizar tarefas que por enquanto s o homem capaz de executar E pois nesse sentido que se dar a evolu o tecnol gica no cerne dos objectos da produ o industrial maior quantidade a mais baixo pre o As necessidades a curto e m dio prazo em termos tecnol gicos apontam para m quinas com elevado desempenho equipadas com sensores de controlo mais sofisticados ferramentas programadas off line baixo consumo de energia facilidade de utiliza o a baixo pre o Assim as novas exig ncias da rob tica manifestam se a n vel da capacidade da utiliza o e da conectividade dos rob s Em termos da capacidade aponta se para uma melhoria de performance estruturas mais leves maiores acelera es e velocidades e tamb m controlo posicional mais preciso e vers til Quanto utiliza o s o necess rios ambientes de programa o mais poderosos e mais f ceis de usar software de orienta o do objecto e programa o Finalmente em termos de conectividade exige se meios de acesso estandardizados com protocolos igualmente estandardizados para integra o do processo produtivo Deste modo com a cont nua press o para aumentar a produtividade de um produto final ao qual se exige uma qualidade uniforme a ind stria dever cada vez mais basear se em sistemas de automa o No entanto para uma maior e mais rent vel aplicabilidade dos rob s nas diversas reas produtivas e
138. tica a orienta o do eixo i em rela o a 1 1 n o varia com o movimento da junta isto Oi 0 Controlo de Rob s 78 em que a velocidade linear Via 7 di Zi onde z o vector unit rio da junta i Assim a velocidade linear e a velocidade angular s o Q 0 Pi Pia td Zi O G4 2 Junta de revolu o para a velocidade angular temos 04 70 Zi enquanto que para a velocidade linear temos iai 7 Oii Fia devido rota o do eixo i em rela o a 1 1 introduzida pelo movimento da junta 1 Deste modo as express es da velocidade angular e linear s o respectivamente 0 70 t Z P P tor i i l i Pontos Singulares O Jacobiano na equa o da cinem tica diferencial de um manipulador define uma traject ria linear v J q q i E T entre o vector q de velocidade da junta e o vector v p o representando a velocidade da ponta do rob O Jacobiano em geral fun o da configura o q Controlo de Rob s 79 Estas configura es nas quais J dependente chamam se singularidades cinem ticas As singularidades representam configura es nas quais a mobilidade da estrutura reduzida isto n o poss vel impor um movimento arbitr rio ponta do rob Quando a estrutura singular podem existir v rias solu es para o problema da cinem tica inversa Devido s singularidades reduzem se as velocidades no espa o operacional o que pode causar elevadas velocidad
139. tipos de ind stria fundamental conhecer os seus requisitos espec ficos incluindo as necessidades funcionais e de manufactura ter presente a componente mec nica do design dos sistemas rob ticos conhecer os interesses econ micos e ter em conta considera es de ordem est tica e ambiental Sandler 1999 Pesquisa Bibliogr fica 14 2 4 ROBO DEFINICAO Um rob uma m quina que pode ser programada para executar uma variedade de tarefas do mesmo modo que um computador um circuito el ctrico que pode ser program vel para executar uma variedade de tarefas McKerrow 1986 O termo rob tamb m usado para manipuladores que t m um sistema de controlo e s o capazes de executar opera es de uma forma aut noma Os progenitores mais directos dos rob s foram os telemanipuladores que precisam de ser comandados continuamente por um operador Barrientos et al 1997 N o s o considerados rob s porque o homem o elemento que controla a execu o da opera o Eles s o providos de capacidades que potenciam a actividade humanas mas n o substituem os seres humanos McKerrow 1991 O dicion rio Webster s define rob como um mecanismo autom tico que desempenha fun es id nticas s desenvolvidas pelos seres humanos Fu et al 1987 Tamb m no livro Robotics for Engineers encontram se algumas defini es do conceito rob Por exemplo um rob industrial um manipulador mec nico program vel capaz de
140. tor ON C digo da fun o Motor OFF Explorador de ficheiros do rob Painel de defini o de soldadura Painel de ajuste da soldadura C digo da fun o de movimenta o do rob rotina em RAPID a correr no controlador do rob C digo da fun o que permite controlar o arame na tocha Mesa de trabalho e rob em posi o para executar uma soldadura Execu o de soldadura robotizada Rotinas em C as quais permitem escrever o valor actual das juntas do rob 94 96 105 116 118 119 120 128 128 129 130 130 131 133 134 135 136 137 137 138 ndice de Figuras xiii NDICE DE QUADROS Quadro 2 1 Compara o entre os diferentes tipos de actuadores Quadro 3 1 Vantagens e desvantagens dos sistemas cartesianos Quadro 3 2 Vantagens e desvantagens dos sistemas cil ndricos Quadro 3 3 Vantagens e desvantagens dos sistemas esf ricos ou polares Quadro 3 4 Vantagens e desvantagens dos sistemas de revolu o 31 41 42 43 44 ndice de Quadros XV Cap tulo 1 APRESENTACAO DO TRABALHO 1 1 INTRODUCAO Assistiu se nos ltimos anos a um grande desenvolvimento tecnol gico no dominio dos aut matos rob s program veis e sua utilizac o em varias ind strias com claras vantagens em rela o a processos de produ o manual De facto vivemos num mercado global e muito competitivo em que se exigem produtos muito diversos muitas vezes definidos pelo pr prio cliente com
141. tos quer de fun es permitindo ao utilizador o controlo por teclas de algumas opera es do rob Utiliza o de Rob s na Ind stria da Constru o 126 Controlador do Rob O sistema de controlo um sistema computacional que permite o controlo e a supervis o da estrutura fornecendo o ambiente de programa o Assim com o software de controlo que usa um objecto dispon vel ActiveX poss vel implementar m todos e estruturas que usando fun es de uma maneira f cil permitem ao utilizador partir delas para obter resultados Este software de controlo usa rotinas RPC Remote Procedure Calls que permitem o controlo do rob atrav s do PC por parte dos utilizadores O software de comunica o com o rob baseia se na utiliza o de servi os remotos disponibilizados pelo controlador do rob por exemplo sistema S4 da ABB ou RJ3 da FANUC Os servi os que s o necess rios para realizar a arquitectura de software proposta s o os servi os de acesso a vari veis definidas na mem ria do controlador do rob Para al m desses servi os est o dispon veis servi os de gest o de ficheiros e de programas Fun es para utiliza o desses servi os elementares e outros mais complexos foram constru das em CH e agrupadas numa livraria e num objecto COM OLF ActiveX denominado PCROB Estando o rob ligado ao computador PC atrav s de uma porta tipo Ethernet o software de controlo faz a comunica o entre o rob e o
142. tros e defina se um ponto P em Os Assim pode se escrever Sciavicco e Siciliano 1996 p A p p A p A A p A p spo RERE Roia 2 0 1 3 4 3 REPRESENTA ES M NIMAS DE ORIENTA O De um modo geral as matrizes de rota o d o nos uma descri o redundante da orienta o dos eixos Elas s o caracterizadas por nove elementos os quais se relacionam por seis limita es devido s condi es da ortogonalidade No caso da descri o da orienta o a partir da rota o em torno de um eixo arbitr rio a representa o obtida por quatro par metros o ngulo e as tr s componentes do vector unit rio Isto implica que a orienta o seja descrita por tr s par metros independentes que constituem uma representa o m nima Nas matrizes de rota o estas representa es m nimas s o obtidas pelos ngulos de Euler e ngulos fixos RPY de Roll Pitch Yaw Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 54 ngulos de Euler Os ngulos de Euler constituem uma representac o m nima da orientac o expressa em rela o a um eixo e obt m se pela composi o de rota es elementares Todo o sistema O x y z pertencente ao corpo r gido cuja orienta o se quer descrever pode definir se em rela o ao sistema O xyz com o recurso a tr s ngulos q 9 y denominados ngulos de Euler Rodando sucessivamente o sistema O xyz sobre determinados eixos de um triedro ortogonal dos valores de q 9 W o
143. uag o de Euler Na Figura 3 24 adaptada de Craig 1989 est representado um corpo r gido rodando com uma velocidade angular e uma acelerag o angular em que o momento N que causa o movimento do corpo definido pela equa o de Euler N Ila o lo em que ST o tensor de in rcia escrito em C associado ao centro de massas Figura 3 24 Momento N actuando num corpo sendo que o corpo roda com velocidade e acelerac o 3 6 2 FORMULACAO DIN MICA ITERATIVA DE NEWTON EULER O problema que se coloca determinar os momentos nas juntas que causam o movimento pretendido partindo do conhecimento da posic o velocidade e acelerac o das juntas 0 e 8 Com a ajuda suporte da cinem tica e da distribui o de massas de um rob podemos calcular os momentos pretendidos e por meio de itera es podemos calcular a velocidade e a acelera o n Veja se Fu et al 1987 Craig 1989 e Sciavicco e Siciliano 1996 Controlo de Rob s 86 Este c lculo inicia se pelo elo 1 passando elo a elo sucessivamente at ao elo n Para termos conhecimento das forgas de in rcia no elo necess rio calcular a velocidade rotacional e linear bem como a acelera o rotacional do centro de massas de cada elo do manipulador num determinado instante Craig 1989 A velocidade rotacional de elo para elo dada pela express o itl _itlpi A HIS O FRO t0 Zi Para obtermos a acelera o angular it i
144. um kit de desenvolvimento de aplica es para PC constitu do por um objecto ActiveX 8 Para esta tem tica consultar FANUC Robotics PC Developers Kit http www fanucrobotics com Utilizac o de Rob s na Ind stria da Construc o 131 Implementac o da Soldadura Robotizada Para que os rob s efectuem a opera o de soldadura ter o que aprender uma traject ria e repeti la A traject ria ser definida por um ponto posic o e orienta o de in cio posi o actual do rob e um ponto de fim ponto para o qual o rob se ir movimentar contendo ou n o pontos interm dios As traject rias podem se obter atrav s de um modelo CAD da pe a a soldar podendo proceder se a ajustes no decurso do processo de soldadura Para o controlo e monitorizac o do processo de soldadura robotizado temos que definir as traject rias e respectivos par metros fazer os ajustes on line da posi o do rob e dos par metros da soldadura sempre que necess rio e proceder a uma an lise do cord o de soldadura efectuado de modo a obter soldaduras com qualidade uniforme Neste sentido as aplicag es a desenvolver devem permitir por um lado criar e manipular ficheiros de soldadura e por outro lado ajustar o rob aos pontos que definem a traject ria da soldadura a efectuar Para o efeito e tendo presente as diferentes ferramentas visuais que se podem usar seleccionou se o Microsoft Visual C e o Visual Basic porque s o
145. utura e escrevemos a rela o for a momento relativamente aos eixos dos elos Seguidamente calculamos qual o momento est tico que est a ser aplicado ao longo do eixo da junta de modo a que o manipulador esteja em equil brio est tico Deste modo obtemos a solu o para o conjunto de momentos necess rios na junta para suportarem uma carga est tica aplicada na ponta do rob Craig 1989 Como se pode ver na figura 3 22 usando uma configura o normal de elos define se f for a exercida no elo i pelo elo 1 1 n momento exercido no elo 1 pelo elo 1 1 Figura 3 22 Equil brio de for a momento est tico num elo simples Esta figura apresenta a for a e o momento exercidos no elo 1 O somat rio das for as igual a zero Ea 0 Controlo de Rob s 82 somando os momentos com origem no eixo i i i i i ni na Pa fi O obtemos if f im i A i n n P f Para obtermos estas equag es em func o de uma s forca e momento definidos no fim dos eixos dos pr prios elos usamos a matriz de rotac o descrita pelo eixo 1 1 relativo a i para a sua transformag o Craig 1989 Sciavicco e Siciliano 1996 Obtemos ent o a propagac o da forca est tica de elo a elo i en igi is i i l ic llus niR n i i i l P f Os momentos necess rios a aplicar nas juntas para obter o equil brio das forgas de reacc o e momentos aplicados nos elos s o determinados do seguinte modo Uma vez que a e
146. vas m xima flexibilidade j que qualquer local pode ser atingido as liga es podem ser completamente estanques juntas de revolu o f ceis de vedar til em ambientes sujos ou corrosivos ou mesmo debaixo de gua pode estender se por cima e por baixo dos objectos Desvantagens modelo cinem tico complexo dif cil para visualizar o controlo do movimento linear dif cil estrutura n o r gida volume total coberto limitado Quadro 3 4 Vantagens e desvantagens dos sistemas de revolu o Controlo de Rob s 44 Deste modo o tipo de sequ ncia dos graus de mobilidade come a nas articula es permitindo classificar os manipuladores em Cartesianos Cil ndricos Polares Revolu o SCARA oportuno referir que o rob SCARA uma subclasse dos rob s cil ndricos Figura 3 10a e 3 10b tem 3 juntas de revoluc o e 1 junta prism tica Duas das juntas de revoluc o posicionam se no plano horizontal permitindo a extens o do braco do rob a qualquer ponto do plano horizontal No fim da extremidade do braco do rob existe um elo vertical o qual se pode deslocar segundo uma junta prism tica A ferramenta colocada no fim da ligac o vertical pode rodar em torno do eixo vertical desta ligac o junta de revoluc o facilitando o controlo e orientac o da respectiva ferramenta no plano horizontal Sciavicco e Siciliano 1996 Nof 1999 Figura 3 10a Manipulador S
147. vil poss vel e necess rio As iniciativas que est o a surgir e que visam a industrializa o da constru o s o ainda no entanto reduzidas A utiliza o das metodologias e t cnicas que j permitiram a outras ind strias atingir elevados n veis de produtividade objectivo ltimo de todo e qualquer sector industrial constituem um desafio a vencer As dificuldades s o in meras e enormes Sabemos que o sector da constru o civil e obras p blicas tem grande projec o econ mica nomeadamente ao n vel da quantidade e de diversidade de m o de obra empregada A grande necessidade de m o de obra e a escassez de trabalhadores qualificados origina o recurso a m o de obra sem forma o profissional ainda que de baixo custo No entanto a actividade da constru o insere se num mercado que tem a particularidade de se definir por uma forte competitividade caracter stica esta que se expressa numa constru o com baixo pre o mas com qualidade dif cil de conseguir quando se recorre a m o de obra n o especializada Este sector apresenta ainda uma reconhecida penosidade inerente s v rias actividades que o comp em e que se traduzem em expor os trabalhadores a v rios riscos 1 m x genb 13 2 Quando n o sujeita especula o imobili ria Conclus es e Desenvolvimentos Futuros 141 profissionais condi es climat ricas adversas ambientes nocivos ru dos poeiras movimenta o manual de ca
148. w e Roll Figura 2 4 Tipos de articula es Figura 3 1 Processo de desenvolvimento de um rob Figura 3 2 Rob manipulador Figura 3 3a Punho esf rico ou Roll Pitch Roll ZYZ Figura 3 3b Pitch Yaw Roll YXZ Figura 3 4 Articula o ou Junta de Revolu o Figura 3 5 Articula o ou Junta Prism tica Figura 3 6a Rob cartesiano Figura 3 6b Espa o de trabalho do rob cartesiano Figura 3 7a Rob cil ndrico Figura 3 7b Espa o de trabalho do rob cil ndrico Figura 3 8a Rob polar Figura 3 8b Espa o de trabalho do rob polar Figura 3 9a Rob de revolu o Figura 3 9b Espa o de trabalho do rob de revolu o Figura 3 10a Manipulador SCARA Figura 3 10b Espa o de trabalho do SCARA Figura 3 11 Posi o e orienta o de um corpo r gido Figura 3 12 Rota o do sistema O xyz de um ngulo a em torno de z Figura 3 13 Representa o do ponto P num sistema de duas coordenadas diferentes Figura 3 14 Representa o de um ponto P em diferentes sistemas de coordenadas Figura 3 15 Representa o dos ngulos de Euler ZYZ Figura 3 16 Representa o dos ngulos RPY Figura 3 17 Sistemas de refer ncia Figura 3 18 Descri o da posi o e orienta o do eixo da ponta do rob Figura 3 19 Par metros cinem ticos de Denavit Hartenberg Figura 3 20 Caracteriza o de um elo i gen rico de um manipulador Figura 3 21 Bra o com dois elos representados no plano Fi
149. xecuc o de uma operac o de soldadura com a tocha desligada dando a impress o de que o rob est a efectuar a opera o de soldadura quando a indica o Status passar para vermelho O objectivo desta simula o possibilitar a observa o de todo o programa de soldadura O rob envia eventos que ao serem visualizados neste painel permitem quando necess rio aceder a fun es com a finalidade de bloquear o equipamento de modo a evitar acidentes pessoais ou danificar o pr prio equipamento Painel de Ajuste da Soldadura Com a cria o do painel de ajuste da soldadura Figura 4 13 est o criadas as condi es para se colocar o rob na posi o desejada pois permite fazer ajustes de pontos em tempo real e at mesmo adquirir novos pontos Usando comandos de movimento cartesianos X Y Z ou de juntas poss vel movimentar o rob a partir do PC Novo valor para as juntas em graus Posi o actual das juntas em graus Weld Position Adjust una m Joint Position Cartesian Motion Joint 1 Joint 2 Joint 3 Joint 4 Joint 5 Joint amp Linear C Rotation Pulse Wire Init Disable Exit Mensagens Running under WinNT 2000 Ler valor actual Pulsar arame na tocha Escrever novo valor Figura 4 13 Painel de ajuste da soldadura Utilizac o de Rob s na Ind stria da Construc o 134 Ass
150. yz Do ponto de vista das propriedades ortogonais a transforma o inversa dada por p R p Sciavicco e Siciliano 1996 3 4 2 MATRIZES DE TRANSFORMACAO Como ja foi referenciado a posic o de um corpo r gido no espaco expressa em termos da posi o de um ponto no corpo em rela o ao eixo de refer ncia transla o enquanto a sua orienta o expressa em termos das componentes do vector unit rio do eixo junto ao corpo rota o A figura que se segue considera um ponto P arbitr rio no espaco Controlo de Rob s 51 Figura 3 14 Representac o de um ponto P em diferentes sistemas de coordenadas 0 26 Considerando p o vector de coordenadas P em rela o ao eixo de refer ncia Oo XoYoZo e um outro eixo de refer ncia no espa o O1 X1y1Z1 pode definir se o vector o descrevendo a origem do eixo 1 em relac o ao eixo 0 e a matriz R de ne D a 1 4 rota o do eixo 1 em rela o a 0 Assim o vector p um vector de coordenadas P em rela o ao eixo 1 0 0 0 1 p o R p Esta equa o representa a transforma o de coordenadas transla o acrescida de rota o do vector soma entre os dois eixos Sciavicco e Siciliano 1996 A transforma o inversa pode ser obtida multiplicando ambos os lados por R R1 p 0 R p RI p R o R p p 1 0 10 R o tR p Controlo de Rob s 52 Utilizando a forma matricial de modo a representar a rela o entre coordenadas do

robótica na construção - Repositório Científico do IPCB

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