Introdução

Introdução Walter Fetter Lages fetter@ece.ufrgs.br Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Sistemas Elétricos de Automação e Energia ENG10026 Robótica A Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 1 Robôs são Idéia Antiga 270 A.C. Ctesibius da Grécia construiu relógios d’água com figuras móveis 1452-1419 Leonardo Da Vinci imaginou robôs humanóides para proteger castelos Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 2 Robô • A palavra robô vem da palavra tcheca "Robota"= trabalho escravo • 1921 Peça teatral "Robôs Universais de Russum", de Karel Capek • Isaac Asimov cunhou a palavra robótica Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 3 Filmes e Robôs • Os Jetson’s 1962 • Perdidos no espaço 1964 • Guerra nas estrelas 1977 - R2D2 e C3P0 • Robôs em propagandas • Animatronics 2000 Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 4 Robô • Manipulador multi-funcional reprogramável projetado para movimentar materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especiais seguindo movimentos programados variáveis, tendo por objetivo a realização de tarefas variadas • Máquina flexível programável com a qual um objeto pode ser movido para um local definido no espaço, ou com o qual pode ser realizada uma trajetória com o objeto para realizar uma determinada tarefa Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 5 Robôs Industriais • Utilizados nas indústrias para • movimentação de peças • pintura • soldagem • Normalmente constituídos por: • um braço articulado • uma unidade de controle • um teaching–pad • diversas interfaces com periféricos Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 6 Robôs Industriais Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 7 Robôs Móveis • Robôs que podem movimentar-se autonomamente no solo ou no espaço. • Frequentemente o termo robô móvel é utilizado para designar apenas a plataforma. Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 8 Robôs de Serviço • Robôs desenvolvidos para a execução de tarefas específicas • aspiração de pó • cuidar de pessoas idosas e deficientes • limpeza de navios e aviões • cortar grama • esquilar ovelhas • inspecionar linhas de transmissão de energia elétrica Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 9 Robótica é um Campo Vasto • Necessita conhecimentos de: • Eletrônica • Mecânica • Computação • Controle • Psicologia Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 10 Robótica e Desemprego • Muitas vezes é afirmado que os robôs causam desemprego • Na verdade, os robôs mudam deslocam os postos de trabalho de lugar na linha de produção • Com robôs, toda a linha de produção funciona mais rápido • são necessárias mais trabalhadores para • empacotar os produtos • vender um maior volume de produtos • alimentar o robô Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 11 Partes de um Manipulador • Base • Braço articulado • Elos • Juntas • Unidade de controle • Dispositivo de programação Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 12 Tipos de Juntas • Juntas rotacionais • Juntas prismáticas • Juntas esféricas Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 13 Configurações Cinemáticas Usuais • Configuração articulada (RRR) • Configuração esférica (RRP) • Configuração SCARA (RRP) • Configuração cilíndrica (RPP) • Configuração cartesiana (PPP) Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 14 Configuração Articulada (RRR) Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 15 Configuração Esférica (RRP) Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 16 Configuração SCARA (RRP) Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 17 Configuração Cilíndrica (RPP) Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 18 Configuração Cartesiana (PPP) Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 19 Conceitos • Espaço de Trabalho • Fronteira exterior de todos os pontos que um robô pode alcançar com seu efetuador • Graus de liberdade • Número de movimentos distintos que o braço pode realizar • Normalmente o número de graus de liberdade iguala-se ao número de juntas Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 20 Tipos de Acionamentos • Acionamento Elétrico • Acionamento Hidráulico • Acionamento Pneumático Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 21 Acionamento Elétrico • Permite controle preciso e eficiente • Envolve estruturas simples e de fácil manutenção • Não requer fonte de energia cara • Custo relativamente baixo • É sujeito a danos devido a cargas pesadas o bastante para parar o motor • É incapaz de manter um momento constante em velocidades variáveis de revolução • Tem uma baixa razão de potência de saída em relação ao peso do motor Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 22 Acionamento Hidráulico • Mantém um momento alto e constante sob uma larga faixa de velocidades • Requer uma fonte de energia cara • Permite precisão de operação, algo menos que acionamento elétrico, mas mais que o pneumático • Requer cara e extensiva manutenção • Pode manter alto momento sobre longo período de tempo • As válvulas devem ser precisas e são caras • Está sujeito a vazamentos de óleo do sistema Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 23 Acionamento Pneumático • Permite operação em altas velocidades • Precisão pouco apurada • Pode manter um momento constante (menor do que o acionamento hidráulico) • Está sujeito a vibrações momentâneas no braço • Fácil manutenção • Custo relativamente baixo Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 24 Garras Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 25 Garras Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 26 Garras com Dedos Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 27 Modelagem de Manipuladores • Modelo Cinemático • Direto - Mapeia posições das juntas em posição da garra • Inverso - Mapeia posição da garra em posições das juntas • Jacobiano - Mapeia velocidades nas juntas em velocidades da garra e forças estáticas nas juntas para forças estáticas na garra • Modelo Dinâmico • Direto - Mapeia torques nas juntas em acelerações e velocidades das juntas • Inverso - Mapeia posições, velocidades e acelerações das juntas em torque nas juntas Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 28 Modelo Cinemático Direto {A} XA YA ZA {B} XB YB ZB AP APBorg BP AP = APBorg + ARB BP • Transformação homogênea Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 29 9 : p urres lransformacao Homogénea mn yi yi 3 N o Me P __ Rp io P —— ee (ol Key ane eel matriz de coordenadas _transformacao homogéneas homogénea as ee a ee Copvricht (c) Walter Fetter Lages — p. 30 Transformações Compostas {A} XA YA ZA AP APBorg {B} XB YB ZB BP BPCorg {C} XC YC ZC CP AP = ATB BTC CP = ATC CP Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 31 Modelo Cinemático Direto 0 0 1 2 3 4 5 Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 32 Convenções de Denavit-Hartenberg elo i-1 elo i junta i junta i+1 θi θi θi+1 xi−1 zi−1 zi xi ai αi di • Todas as transformações homogêneas de i para i − 1 ficam com a mesma forma e função apenas de 4 parâmetros geométricos Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 33 Convenções de Denavit-Hartenberg i−1Ti = Tz,diTz,θiTx,aiTx,αi i−1Ti =   cos θi − cos αi sin θi sin αi sin θi ai cos θi sin θi cos αi cos θi − sin αi cos θi ai sin θi 0 sin αi cos αi di 0 0 0 1   Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 34 Modelo Cinemático Inverso 0T3 =   C123 −S123 0 l1C1 + l2C12 + l3C123 S123 C123 0 l1S1 + l2S12 + l3S123 0 0 1 0 0 0 0 1   0T d 3 =   Cφ −Sφ 0 x Sφ Cφ 0 y 0 0 1 0 0 0 0 1   Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 35 G : — uFRcs Viodelo Cinematico Inverso ae Ca IsCg)* + (y — 13:54)? — If — 5 Fee Se as WT year (Pia EveN ed Cel Or) 0, = atanyx(y—I354, c—I3Cy)—atanyx(l2S2, ly +lyC2) OB = atanyx(S¢, or — 0; a Oe C1 . TT toys AE aN eve 7 nl —_— = J(q)q a COT , ze para junta rotacional / rae ;—] Ji(q) — / | - 4 para junta prismatica 0 Ce EAC) 1) Julq) Copvricht (c) Walter Fetter Lages — p. 37 Jacobiano Inverso ˙q = J−1(q)0ν • Nem sempre é inversível • Configurações singulares Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 38 Modelo Dinâmico Inverso • Formalismo de Newton-Euler • Baseado no equilíbrio de forças • O modelo não é obtido de forma explícita • Expressões recursivas que permitem calcular o torque • Adequado para implementação computacional • Formalismo de Lagrange-Euler • Baseado na conservação de energia • O modelo é obtido em forma fechada • Pouco eficiente computacionalmente τ = M(q)¨q + V (q, ˙q) + G(q) Copyright (c) Walter Fetter Lages – p. 39 Ti Modelo Dinamico Direto g=M'(@)Ir-V(a.9 - GQ) SURE q sy fo(a1, 22) = —M~*(21) (V (21, 22) + G(21)) go(a1) = M(x) t= f(x) + 9(x)u Ti Modelo Dinamico Direto Pm COmaCo fa) = | aon 2) | Ae 7 | ao |