Robótica - Resumão para P2

Aula 9 - parte 1

Instrumentação e sensores aplicadoas à Robótica

Definições

• Medir: procedimento experimental onde o valor momentâneo de uma grandeza física é determinado como uma fração de unidade.

• Mensurando: é o fenômeno sobre o qual se deseja expressar uma medição.
  Ex: temperatura.

• Indicação: é a unidade da quantidade medida do mensurando.
  Ex: ºC

• Indicação direta: é a medida/unidade indicada pelo sensor (geralmente precisa de tradução).
  Ex: mV.

Resultado da medição

Faixa de valores que contém o valor verdadeiro do mensurando.

RM = (RB ± IM) unidade

RB (Resultado Base)

Estimativa do valor do mensurando que acredita se aporximar mais do seu valor verdadeiro.

IM (Incerteza da medição)

Faixa onde se situam as dúvidas associadas à medição.

Sistema Internacional de Unidades

Sete unidades de base.

Unidades derivadas (exemplos).

Observação

1m, 2m, ….
não é 2ms.

1h, 2h, 3h ….
não é 2hs.

kb = 1000 bits
mb = 10^6 bits
gb = 10^9 bits

kB = 2^10 * 8
mB = 2^20 * 8

Faixa de Operação

É a faixa de variação do mensurando à qual o sensor se aplica (limites inferiores e superiores).

Ex: faixa de temp entre -20ºC a 200ºC

Sensibilidade Estática

Razão da variação na saída pela variação na entrada depois do regime alcançado.

Sensibilidade Constante

Dispositivo cuja resposta a estímulos permanece proporcional ao estímulo aplicado.

Linearidade

O quanto a curva saída X entrada SE APROXIMA de uma linha reta.

Máximo DESVIO DA função de transferência do instrumento DE uma reta de referência do comportamento do instrumento.

Aplica-se a sistemas projetados para serem lineares.

Expressa a não linearidade.

Conformidade

O quanto a função de transferência do instrumento SE CONFORMA à função de transferência prevista.

Máximo DESVIO DA função do instrumento DE uma curva de referência.

“Estar em conformidade”.

Expressa a não conformidade.

Histerese

Dependência do valor de saída na história de excursões anteriores, para uma dada excursão da entrada.

Máxima diferença entre leituras para um mesmo mensurando, quanto este é aplicado a partir de um.

Incremento ou decremento do estímulo.

Tolerância

Diferenças previstas entre um sensor e outro (definida pelo fabricante e entra na composição do erro esperado para a medida).

Representada na forma de incerteza.

Repetitividade ou Repetibilidade

Indicações próximas em repetidas aplicações do mesmo mensurando com as mesmas condições de medição.

Precisão

Quantifica os erros não sistemáticos ou a incerteza.

Geralmente expressa numericamente por medidas de dispersão (desvio-padrão, variância, coeficiente de variação, …).

Detecção de Presença

Com contato físico

Elemento a ser detectado estabelece contato mecânico com o sensor.

Sem contato físico

Aproximação ou a presença de um objeto em uma região próxima ao sensor para detecção.

Permite menor desgaste no sensor (sem contato físico).

Tipos: óticos, indutivos, capacitivos, magnéticos e ultrassônicos.

Sensores óticos ou fotoelétricos

Usam a luz para detectar objeto (infravermelho).

São compostos por dois circuitos básicos (transistor e receptor).

Sistema de barreira

Transmissor e receptor frontalmente em unidades distintas.

Aciona quando um objeto interrompe o feixe de luz.

Usado em:

• detecção e contagem de peças.
• cortina de segurança.

Sistema por difusão

Transmissor e receptor montados na mesma unidade.

Aciona quando um objeto entra na região de sensibilidade e reflete a luz do transmissor para o receptor.

Há uma distância mínima para detecção (zona morta).

Sistema refletivo

Transmissor e o receptor montados na mesma unidade.

Feixe chega no receptor após ser refletido por um espelho prismático.

Aciona quando um objeto interromper este feixe.

Usado em:

• montagem angular (detecção de materiais transparentes).
• filtro polarizador (detecção de materiais brilhantes).

Sensores Indutivos

Detectam a aproximação de materiais metálicos gerando um campo eletromagnético na face sensora da bobina ligada a um oscilador, que emite um sinal senoidal.

Quando um metal se aproxima, o campo induz correntes na superfície do metal, REDUZINDO A AMPLITUDE DO SINAL no oscilador. Essa variação é então convertida e comparada para detecção.

Sensores capacitivos

Detectam a aproximação de diversos materiais usando um campo eletromagnético gerado por um capacitor na face sensora, composto por duas placas metálicas com cargas opostas.

Quando um material se aproxima, ALTERA-SE A DISTÂNCIA E O DIELÉTRICO entre as placas, modificando a capacitância e o circuito oscilador. Essa variação é então convertida e comparada para detecção.

Reed Switch

Bulbos de vidro com dois fios condutores eletromagnéticos separados, que fecham contato na presença de um campo magnético por um imã permanente (Chaves NA).

A disposição dos polos do imã afeta a detecção.

Efeito Hall

Usa portadores de carga que reagem a campos magnéticos. Em semicondutores, a corrente pode ser transportada por cargas positivas ou negativas.

Sem um campo magnético, as cargas se distribuem uniformemente e não há tensão transversal.

Com um campo magnético aplicado, a força perpendicular (Lei de Lorentz) desvia as cargas, acumulando-as em uma das faces laterais. Isso gera uma tensão transversal.

Termoresistores

Termômetros de resistência que expressam as medidas de temperatura em função da variação da resistência elétrica de um condutor metálico.

Quais são os tipos de metais usados?

Os materiais mais utilizados para a fabricação são: platina, cobre ou níquel.

• Alta resistividade: melhor sensibilidade do sensor.

• Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura.

• Rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos.

Termoresistores de Platina

Apesar de suportar maior faixa de temperaturas (ITS-90 definiu o limite máximo em 962°C), são aplicados à leitura de valores entre -200°C e 650°C (na indústria).

Pt-100 -> termorresistência de platina que apresenta resistência elétrica de 100Ω a 0°C (DIN - IEC 751).

Um dos cuidados ao usar um Pt-100 é limitar a corrente de excitação (entre 1 a 2mA) para que o elemento não se auto aqueça.

Ponte de Wheatstone

Obs: lembrar que 1 mv = 0,001 V

Ligação de Pt-100 à ponte

A estratégia consiste em ligar o sensor Pt-100 no lugar de um dos resistores (R4, por exemplo) em uma ponte balanceada.

Dessa forma, as alterações na resistência do sensor poderão ser medidas pela DDP da ponte (em Vo).

Conhecendo-se a tensão em Vo, pode-se obter o valor da resistência de R4.

Exercício 1

Considere um valor de resistência (R4) obtido de um Pt-100 de 115Ω.

1º passo: busca-se na tabela e encontra-se o intervalo onde tal medida ocorre:

2º passo: definem-se as relações dos valores do intervalo e da medida:

Valor menor sempre em primeiro e maior em último.

3º passo: fazer a interpolação de reta (linear) dos dois intervalos demarcados (Lagrange):

Sempre subtraia o intervalo no mesmo sentido (maior para o menor).

Aula 9 - parte 2

Termopares

Quando dois metais diferentes são unidos por uma junção, a diferença de temperatura entre o ponto da união e a outra extremidade dos condutores faz surgir uma tensão decorrente da força eletromotriz (F.E.M.).

Efeito Termoelétrico de Seebeck

Elétrons livres de um metal diferem de um condutor para outro e dependem da temperatura.

A extremidade mais quente excita os elétrons dessa região fazendo com que se desloquem para o lado mais frio, gerando uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades.

Quando dois metais são unidos, a difusão dos elétrons nas junções ocorre em ritmos diferentes.

Essa diferença de potencial notada na outra extremidade é que fornece as medidas de temperatura.

Efeito Termoelétrico de Peltier

Se uma corrente elétrica I flui na junção entre dois metais diferentes, calor é gerado ou absorvido nesse local em quantidade proporcional à corrente.

Se o circuito vai gerar ou absorver calor, dependerá do sentido da corrente.

Correção da junta de referência

Tabelas de termopares são geradas, fixando-se a junta de referência em 0°C.

Sendo assim, se exposta à temperatura ambiente, deve-se realizar o ajuste da junta de referência

F.E.M. = (JM – JR) + CA.

JM - JR: diferencial de energia, em mV, obtido na junta de referência.

CA: fator de correção da temperatura ambiente.

Exemplo: exposição da JM de um termopar tipo K, forneceu leitura de 3,509 mV em JR. A temperatura ambiente era de 25°C.

F.E.M. = (JM – JR) + CA = 3,509 + 1,000 = 4,509 (110°C na tabela).

Obs.: CA foi obtido na tabela, para a temperatura de 25°C.

Uma estratégia para se manter o referencial constante é manter a temperatura da JR com um termostato.

Exercício 2

Tipos de termopares

Sensores de posição

LVDT e RVDT

Operam através de indução eletromagnética.

Um fluxo magnético entre duas bobinas pode ser alterado pelo movimento de um objeto e sequentemente convertido em voltagem.

Transdutores de repulsão variável.

LVDT

O LVDT (Transformador Diferencial Linear Variável) é um sensor que mede a posição linear de um objeto ferromagnético.

O objeto se move dentro do sensor, alterando o fluxo magnético e o acoplamento entre as bobinas internas. Essa mudança de acoplamento afeta a amplitude do sinal elétrico induzido nas bobinas, indicando a posição do objeto com precisão.

RVDT

O RVDT (Transformador Diferencial Rotativo Variável) funciona de forma semelhante ao LVDT, mas mede o deslocamento angular, não linear.

Utiliza um núcleo ferromagnético rotativo para detectar a posição angular do objeto. O alcance de medição é de cerca de ± 40°, com uma precisão de até 1% de erro.

Potenciômetro

Sensores que produzem uma resistência proporcional ao deslocamento ou posição.

É alimentado por uma tensão DC ou AC e a tensão de saída é idealmente uma função linear do deslocamento.

São formados por fios enrolados ou plástico condutivo, em formatos retangulares ou cilíndricos.

Fórmula:

Da fórmula, obtém-se que a resistência relaciona-se linearmente ao comprimento do cabo.

Onde:

• E: sinal de excitação
• d: deslocamento
• D: escala completa

Encoder

Convertem deslocamento linear ou angular em uma sequência de pulsos, que pode ser interpretada como bits.

Lineares

Detectam e digitalizam mudanças de posição linear para a medida de posição e realimentação em sistemas de controle.

Ex: sensor de posição de carro de impressora

Rotativos (angulares)

Realizam medição de deslocamento angular perante detecção de alterações na leitura da escala (normalmente impressa em um disco).

São sensores de multi-turn utilizando indexação ótica, mecânica ou magnética em volta da circunferência de rotação.

Encoders rotativos incrementais

Um disco com furos (janelas) dispostos em intervalos (períodos) regulares é usado e fotodetectores detectam a presença dos furos.

Um esquema comum utiliza 3 trilhas (canais) distintas.

• A combinação dos canais A e B fornece o sentido da rotação.

• O canal Z (index) indica a quantidade de revoluções (rotações).

Encoders rotativos absolutos

Linhas ou seções de comprimento angular variável são combinadas para determinar a posição angular absoluta.

Possuem um disco com uma série de trilhas concêntricas e a cada uma é associado um fotodetector.

A cada leitura, obtém-se o estado de todas as trilhas, sendo cada uma representada em um bit.

Exemplo de disco de 8 bits.

Resolvers

Transformadores rotativos onde o coeficiente de acoplamento entre rotor e o estador variam de acordo com o ângulo do eixo.

Utilizadas duas bobinas transversais no estator, de forma que a variação da tensão medida na saída deste descreva um par de senóides deslocadas em fase.

Ultrassônicos

Seu funcionamento se baseia no envio e recpção de uma onda ultrassônica de alta frequência (~200kHz).

• Mede o tempo que leva para a onda sonora emitida refletir em um objeto/superfície e voltar (eco) até o seu receptor.

• Quando um objeto reflete estes pulsos, o eco resultante é recebido e convertido em um sinal elétrico.

Sensores de velocidade

Sensores de velocidade (velocímetros) detectam a variação de posição ao longo do tempo, enquanto sensores de aceleração detectam a variação da velocidade.

Sensores de posição podem ser usados para medir ambas, bastando comparar medições em intervalos regulares. No entanto, existem sensores específicos para esses fins, como velocímetros e acelerômetros.

Ao comparar suas leituras com uma fonte de tempo precisa, também é possível calcular a posição em momentos específicos.

Tacogerador

O tacogerador funciona como um motor de corrente contínua com escovas. Ele usa um ímã permanente para gerar um campo magnético, com polos nas faces. No rotor, há espiras conectadas a um coletor, e a tensão é obtida pelas escovas conforme o rotor gira.

Bobina pick-up

Constituída de um rotor ferromagnético dentado e de um imã permanente, envolvido por uma bobina.

Quando o dente aproxima-se do magneto permanente, as linhas de fluxo do magneto desviam-se, passando pelo enrolamento da bobina, induzindo uma FEM.

O pulso de saída é gerado pela revolução do eixo.

Acelerômetros

Os sensores de aceleração (acelerômetros e giroscópios) fornecem um sinal elétrico proporcional à aceleração do sistema medido.

Transdutor que transforma aceleração (energia mecânica) em uma tensão elétrica analógica (energia elétrica).

Utilizados diretamente para se medir variações na velocidade de um corpo ou obter sua posição em determinado instante.

Veículos aéreos normalmente se utilizam de acelerômetros para obtenção das três medidas (aceleração, velocidade e posição).

Velocidade e posição são obtidas por integrações consecutivas.

Acelerômetros de deslocamento

Este é um tipo de acelerômetro mecânico que mede a alteração da inércia sobre uma massa.

Como a aceleração é proporcional a essa força, a aceleração pode ser obtida e fornecida pelo sensor.

A composição comum:

• Um corpo vibrante (que se desloca apenas no eixo x), de massa ‘m’, acoplado a um elemento elástico ‘c’ (de coeficiente de elasticidade K) e um elemento amortecedor com coeficiente viscoso ‘r’.

Funcionamento

Em condições de velocidade uniforme (aceleração nula), a massa está em posição de repouso ‘x1’.

Quando o corpo é submetido a aceleração ‘a’, de acordo com o princípio da inércia, surge uma força ‘–m.a’ que se opõe à força elástica de restauração da mola.

A massa ‘m’ adota então uma nova posição de equilíbrio ‘x2’ onde a força de inércia é contrabalanceada pela força de restauração da mola.

Normalmente um líquido é inserido na capsula para, através de sua viscosidade, estabilizar oscilações do equipamento.

Relação do deslocamento (em cm), segundo a aceleração (em cm/s2) da massa (em g) e a constante de mola (em dynas/cm).

Acelerômetros capacitivos

Aplica modulação de frequência em uma ponte formada por capacitores.

Acelerômetro piezoelétrico

A força aplicada no cristal gera o sinal de saída.

Acelerômetro MEMS (Micro ElectroMechanical Systems)

Pequeno dispositivo de silício que integra componentes mecânico e eletrônico.

Aula 11

Conceitos básicos

• Planta: itens de uma máquina que funcionam em conjunto, desenvolvendo uma operação.

• Processo: operação ou sequência de operações que implicam na mudança de estado, de composição, de dimensão ou outras propriedades - contínuo ou em batelada.

• Sistema: combinação de componentes que atuam em conjunto e realizam um certo objetivo.

• Variável de Processo (PV) ou variável controlada: quantidade, propriedade ou condição física medida a fim de efetuar a indicação ou controle do processo.

• Variável Manipulada (MV): grandeza operada que mantém a variável controlada no valor desejado.

• Set Point (SP) ou Set Valor (SV): valor desejado definido antes como referência, valor controlado deve permanecer neste.

• Distúrbio (ruído) ou perturbação: sinal que pode afetar o valor da variável controlada.

• Desvio: valor da diferença entre valor desejado e valor da variável controlada.

• Ganho: valor do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada - entrada e saída na mesma unidade.

Controle automático

Envolve a manutenção de uma certa variável ou condição em um certo valor (fixo ou variante), o valor desejado (set point)

Forma geral de operação:

• Medida do valor atual da variável que se quer regular, através de sensores.

• Comparação dos valores atual e desejado para determinação do desvio.

• Utilização do desvio (ou erro) para gerar um sinal de correção.

• Aplicação do sinal de correção ao sistema para eliminar o desvio, ou seja, reconduzir a variável ao valor desejado.

• O sinal de correção introduz variações de sentido contrário ao erro.

Tipos de sistemas de controle:

• Malha aberta
• Malha fechada

Malha aberta

Somente a entrada (comando) define o comportamento do controlador.

• Responde com atuação no ambiente.
• Não verifica em seguida se o nível da grandeza física corresponde de fato à entrada.
• Não há sensor para observar algum eventual desvio, nem realimentação para corrigi-lo.

Aplicados onde a frequênca ou a consequência dos desvios não justificam a complexidade e o custo maior dos devios em malha fechada.

• Entrada (comando) é o nível desejado da grandeza controlada.

• Controlador avalia este sinal e envia um sinal ao atuador (age no ambiente e altera a grandeza).

Malha fechada

Controlador considera a entrada e desvios.

• Sensor monitora a saída e fornece um sinal que retorna à entrada, formando malha de realimentação.

• A entrada e a realimentação são comparadas e obtém-se o desvio que será utilizado pel controlador.

A maioria dos sistemas atuais é deste tipo.

Diferença com malha aberta: presença de sensor e comparador.

O sensor emite um sinal que corresponde à medida do sinal do atuador (saída).

• Sinal de saída é comparado ao sinal de entrada e um erro é apresentado.

• O sinal combinado (entrada e erro) é apresentado ao controlador, que avalia e tenta corrigir, através de outro comando.

Exemplo de perturbação

Ações de controle

Usadas para modificar a posição (estado ou valor) do elemento final de controle.

Modos:

Ação direta (normal)

Aumento da variável de processo provoca um aumento no sinal de saída.

Ex: acelerar carro, aumenta a velocidade.

Ação indireta (reversa)

Aumento da variável de processo provoca um decréscimo no sinal de saída.

Ex: frear carro, reduz a velocidade.

Tipos:

Liga-Desliga (on-off), Proporcional (P), Integral (I), Derivativo (D), Proporcional + Integral + Derivativo (PID) e outras combinações (PD, PI, ..)

Liga-Desliga

Dois estados para atuar, aberto e fechado.

Compara sinal de entrada com realimentação:

• Se saída supera entrada, desliga o atuador
• Se a realimentação for menor, liga o atuador

Vantagem: é simples e de baixo custo.

Desvantagem: oscilação da sáida, histerese, não garante precisão e desgaste do controlador e atuador.

Erro de offset -> desvio residual -> valor médio da grandeza sob controle será sempre diferente do desejado.

Características:

• A correção independe da intensidade do desvio.
• O ganho é infinito.
• Provoca oscilações no processo.
• Resulta sempre em erro de offset.

Proporcional (P)

Ganho é proporcional ao erro medido.

Ação corretiva é proporcional ao valor do desvio.
Reação baseada no erro atual.

Introdução de um fator multiplicativo permite chegar mais rápido ao ponto desejado.

Problema com ganhos altos:

• Overshoot, oscilações.

• Potência total do motor é normalmente desejada se objetivo está longe.

• Porém, quando adotado um ganho alto, pode implicar em potência alta mesmo estando próximo do valor desejado.

Integral (I)

Atua no processo ao longo do tempo, enquanto existir diferença entre valor desejado e valor medido.

• O sinal de correção é integrado no tempo.

• Reação baseia-se na acumulação dos erros recentes.

• Soma produtos dos valores instantâneos de entrada por intervalos de tempo ‘t’.

• Desde o instante inicial até o final (período de integração).

Desvantagens: torna o sistema lento (atraso do atuador) e por induzir saída sem sinal de entrada.

Derivativo (D)

Reage em função da velocidade do desvio.

• Fornece uma correção antecipada do desvio (não atua se o desvio for constante).

• Previne o aumento do desvio e diminui o tempo de resposta.

• Minimiza overshoot e oscilações.

Controlador PID

Por que é mais adequado para malhas fechadas?

Pois:

• Proporcional: elimina as oscilações.
• Integral: elimina o desvio de offset.
• Derivativa: fornece ação preventiva à variação do desvio.

Combinação dos termos

Classificação dos sensores

Tipo de medida:

Proprioceptivos: medem valores internos do robô (velocidade, carga, tensão).

Exteroceptivos: medem valores externos (estímulos externos - distância, luminosidade).

Emissão de energia:

Passivos: a energia vem do próprio ambiente (sensor de temperatura, microfone).

Ativos: emitem energia para o ambiente e depois medem sua reação e podem ser influenciadas (sensor ultra-som, laser).

Principais tipos de sensores industriais

Proximidade: mecânicos, ópticos, indutivos e capacitivos.

Posição e velocidade: potenciômetros, LVDT, encoders absolutos e relativos e tacogeradores.

Força e pressão: células extensométricas (strain gauge).

Temperatura: analógicos (termopares).

Vibração e aceleração: acelerômetros.

Estrutura de controle de robô industrial

Duas malhas de comparação provenientes de um sensor de medição de distância de um objeto num dado ambiente (sensores externos) e de um sensor de posição (velocidade) de cada junta do robô (sensores internos)

Aula 13

Defina os controles adaptativos

Controle local

• Percepção local do ambiente, como obstáculos, inclinação.
• Cada robô tem a sua visão local (limitada) de mundo.

Controle global

• Relacionado à missão, o objetivo geral da tarefa.
• Pode ser uma visão compartilhada com grupos de robôs móveis.

Descreva contole tradicional

Abordagem tradicila para o controle de robôs.

Sense: obtém dados do ambiente por sensores.
Plan: planeja a ação (deliberação ou reação).
Act: gera uma resposta, através de seus atuadores.

Decomposição

Explique o modelo de Brooks (arquitetura de subsunção)

Deu origem ao Behaviorismo.

Inspirou modelo de controle para robôs.

Comportamento deliberativo + reativo.

Vários níveis plan reagem ao mesmo estímulo sentido (sense) e interferem o sinal de saída (act).

Controle baseado em comportamento

Deliberativo

• Associado a capacidades cognitivas superiores, simbólico.
• Tempo de resposta alto.

Reativo

• Associado a capacidades instintivas, reflexivo.
• Tempo de resposta baixo.

Controle geral

Gerador Global de Trajetórias (GGT)

• Nível hierárquico superior.
• Deve decidir as coordenadas do ponto de destino e intermediários trajetória com base na tarefa.
• Se detectar obstrução, deve redefinir a trajetória.
• Baseia-se em mapas do entorno (SLAM - Simultaneous Localization And Mapping) previamente criados.

Gerador Local de Trajetórias (GLT)

• Nível hierárquico intermediário.
• Faz o papel do piloto do robô móvel: evita obstáculos, realiza correções pontuais da trajetória e ajusta a velocidade.
• Atualiza o GGT sobre os resultados do objetivo designado.
• Comunica-se diretamente com sensores, o que permite tomar decisões online, gerando valores de referência para tração e direção ao CL.

Controle Local do Sistema de Tração e Direção (CL)

• Nível hierárquico inferior.
• Interpreta referências enviadas pelo GLT e gera ações de controle para atuação e controle dos motores de tração e direção, por trajetórias suaves (sem oscilações ou manobras bruscas).

Quais são os tipos de ambientes

Estruturado

• Objetos no ambiente são estáticos (não mudam de forma ou posição)
• E possuem características físicas particulares (forma, cor etc.) que permitem associá-los a formas geométricas conhecidas ou distingui-los de outros objetos.

Não estruturado

• Quando o entorno é dinâmico (muda com o decorrer do tempo) e tais mudanças são imprevisíveis.
• Ou quando a associação entre os objetos do entorno e determinadas características físicas não é viável.

Defina e explique navegação

Encontra um caminho ótimo, livre de colisões, entre uma posição inicial e uma final em um ambiente fechado ou limitado.

Ambientes desconhecidos

• Planejamento de rotas executado durante a movimentação do robô
• Geralmente por um algoritmo de resolução de labirintos (mazesearch).

Ambientes completamente conhecidos (mapeados)

• Problema resume-se a encontrar uma rota, ou melhor caminho.
• Geralmente por algoritmos de busca em grafos.

Método do campo potencial

Forças imaginárias que atuam sobre o robô.

• Obstáculos exercem força repulsiva.
• Destino aplica uma força atrativa.

Para a posição atual, a cada iteração

• Calcula-se a resultante r (soma das forças).
• E, a partir dela, a aceleração e próxima posição.
• Encerra ao chegar no destino.

Como melhoria, deve-se levar em conta a velocidade do robô, quando próximo de obstáculos.

Método do campo de forças virtuais

VFF (Virtual Force Field)

• Primeiro método que permite evitar obstáculos em tempo real para veículos autônomos rápidos.

Componentes

• Grade histograma cartesiana bidimensional para representar obstáculos. Cada célula i,j mantém valor de certeza (probabilidade) cij, que representa a confiança na existência de um obstáculo ali.
• Campo potencial (de forças virtuais) é criado com a informação probabilística. Localização atual do veículo no limite de uma janela quadrada (região ativa), na direção de seu movimento.

Aula 14

Controle de automação

Nível 1

Comando de Máquinas, Sequências e Movimentos através de Controladores Numéricos, CLPs (Controladores Lógico Programáveis), e controladores de processo.

Nível 2

Coordenação de Múltiplas Máquinas e Operações através de sistemas de supervisão e controle com a função de supervisionar e controlar as atividades produtivas e serviços de suporte à produção no chão de fábrica.

Nível 3

Supervisão e Controle da Produção, dos Recursos e Otimização de Processo através de sistemas como MES (Manufacturing Execution System), LIMS (Laboratory Information Management System), PIMS (PlantInformation Management System), AM (Asset Management) com a função de coordenar a produção, suportar as atividades produtivas e cuidar da obtenção e alocação de recursos para as atividades produtivas.

Nível 4

Planejamento da Produção Global da Empresa através de sistemas corporativos de gerenciamento da produção com a função de planejar e programar a produção total.

Nível 5

Gerenciamento Corporativo através de sistemas como ERP (Enterprise Resource Planning) com a função de missão da empresa e gerenciamento de corporação.

Equipamentos

CAM

Computer Aided Manufacturing.

Manufatura auxiliada por computador.

Origina do desenvolvimento do processamento de informações, especialmente para o controle de máquinas ferramentas.

Representa a automação de uma indústria no nível de “Chão-de-Fábrica”, através do uso de Células e Sistemas Flexíveis de Manufatura

CIM

Computer Integrated Manufacture.

Manufatura Integrada por Computador.

Uso da tecnologia de computadores ligando todas as funções relacionadas à manufatura de um produto, caracterizando-se como um sistema de informação e controle de manufatura.

Benefícios do CIM

Mudanças na Estrutura de Custos

• Substituição do trabalho humano pelas máquinas.
• Redução de custos variáveis.

Aumento da Repetibilidade dos Processos

• Redução do trabalho de correção.
• Melhoria de desempenho dos produtos.

Redução de Inventários

• Redução de tempo de montagem e da necessidade de estoques.

Aumento da Flexibilidade

• Rápidas trocas de ferramentas e equipamentos.
• Mudanças rápidas de produtos perante variações de demanda de mercado.

Redução do Tempo de Trânsito entre estações de processamento

• Redução de distâncias de movimentação de materiais.
• Otimização das rotas a serem seguidas pelo mesmos.

Níveis de integração CIM

Nível 1

Hardware padrão, normalmente controlado por computadores existentes nas máquinas ou por controladores programáveis.

AGVs, máquinas ferramentas NC, robôs, além de outros equipamentos que fazem uso limitado de informações locais.

Nível 2

Grupos celulares de equipamentos e materiais para a produção de famílias de peças, através de um elevado grau de integração e comunicação.

Obtido através do agrupamento celular de diversos equipamentos individuais do nível 1 realizando diversas funções, utilizando-se das potencialidades do sistema integrado de informações.

Nível 3

Conexão de diversas Células do nível 2, formando ilhas, através da utilização de Redes de Comunicação.

A principal característica das ilhas é a flexibilidade.

Nível 4

Representa a integração total.

Grandes redes de informações interligam todas as funções de manufatura.

Inclui sistemas de nível 3, além de equipamentos de transporte e níveis de gerenciamento.

Este nível de integração representa o conceito de CIM.

Células flexíveis de manufatura

Utilizadas na produção de peças individuais ou pequenos lotes de peças.

Realizam todas as funções necessárias para completar o processo de produção da peça programada.

São muito versáteis quanto a variações no tipo de peças fabricadas, dependendo de programação de seus elementos componentes para alterações no processo produtivo.

FMS

Sistema Flexível de Manufatura.

Composto por estações de processamento.

Interligadas por sistemas automatizados de manipulação e de carga/descarga de materiais.

Permite a produção de volumes variáveis de peças diferentes.

Sistema automático de manipulação de materiais

Veículos Autônomos (AGVs)

• Armazéns inteligentes.
• Transportadores (empilhadeiras e pontes).

Robôs manipuladores

• Versatilidade e variedade de ferramentas.
• Dispositivos periféricos (mesas, esteiras).

Mesa JIG

Dispositivo para posicionamento de peças a serem manipuladas/trabalhadas.

Redes industriais tradicionais

Com o desenvolvimento de CLPs e PCs foi possível a criação de redes para integração de informações.

As redes industriais passaram a ter arquiteturas em 3 camadas.

Características de rede industriais

Redes industriais são geralmente locais

• Não se comunicam diretamente com áreas externas à empresa.
• São determinísticas.
• Têm estrutura física simples (redução de custos).
• São menos flexíveis a grandes mudanças/adaptações.

Classificação de redes de campo

Tipos de barramentos de campo (fieldbus)

• Sensorbus
• Devicebus
• Fieldbus
• Control
• Enterprise

Sensorbus

Rede de nível mais baixo, geralmente usadas para ligar pequenos sensores, como interruptores.

Transmite pacote de dados de tamanho pequeno e precisa de processamento mínimo por parte do sensor.

Devicebus

Categoria de rede para uso geral que oferece serviços de comunicação para dispositivos mais “espertos” que conseguem realizar múltiplas funções e comunicar informações sobre diagnósticos e funções a realizar e já realizadas.

Fieldbus

Suporta uma maior transmissão de dados, mas geralmente a menor velocidade e necessita de um maior poder de processamento por parte do dispositivo.

Algumas tecnologias deste tipo suportam a distribuição de funções de controle diretamente nos dispositivos.

Control

Usado principalmente para comunicação ponto-a-ponto (peer-topeer) entre dispositivos de controle de alto nível como PLC’s (Programable Logical Controller) ou controladores DCS (Distributed Control Systems).

Enterprise

É tradicionalmente a espinha dorsal (backbone) da rede da companhia, onde são compartilhados os dados relativos aos negócios.

Tecnologia predominantemente: TCP/IP sobre Ethernet.

Indústria 4.0

A Industria 4.0 é um projeto do governo alemão que visa promover a informatização da Manufatura.

A Smart Manufacturing Leadership Coalition (SMLC) é uma iniciativa similar dos Estados Unidos (Vale do Silício).

A fábrica, na Indústria 4.0, caracteriza-se pela capacidade de:

• Adaptação
• Eficiência de recursos
• Ergonomia
• Integração

Entre clientes e parceiros em processos de negócios e de valor.

Revoluções industriais

Visão da Indústria 4.0

A Indústria 4.0 centra-se na manufatura de produtos inteligentes, métodos e processos.

Sistemas cibernéticos físicos (CPS) para a produção que permitem a “fábrica inteligente”.

Produtos são inteligentes e apoiam ativamente o processo de produção.

A fábrica torna-se parte de uma infraestrutura inteligente.

CPS

Cyber-Physical Systems.

Ambiente de sistemas interconectados

• Sensores inteligentes podem automaticamente configurar uma máquina e também auto ajustar os processos de produção de forma descentralizada de acordo com dados coletados e analisados em tempo real.

Fusão do mundo físico e do mundo virtual

• CPS integram cálculos e processos físicos, computadores, redes de monitoramento e controle físico dos processos.
• Em geral, com sistemas em loop fechado, onde os processos físicos afetam os cálculos e vice-versa.

Internet das Coisas (IoT)

Disponibilização de dados em tempo real, por meio de dispositivos móveis utilizando-se de:

• Conexão dos dispositivos móveis a grandes bancos de dados, através da Internet.
• Identificação de alterações na capacidade física das coisas, por meio de sensores inteligentes.
• Capaz de interagir e conectar-se com diversos objetos de forma sensorial e inteligente.

Arquitetura básica Indústria 4.0

Tecnologias chaves Indústria 4.0

Nove tecnologias

Big Data / analytics

• Coleta e análise dos dados de diversas fontes: máquinas e sistemas de produção, sistemas de gerenciamento de empresas e clientes.
• Fornece suporte à decisão em tempo real.

Robôs autônomos (colaborativos)

• Devem interagir entre si e trabalhar de forma segura junto a pessoas, e aprender com elas.
• Custarão menos e serão mais versáteis que os utilizados hoje.

Simulação

• Permite obter dados em tempo real das plantas e construir cenários virtuais que incluem máquinas, produtos e pessoas.
• Permitirá testar e otimizar os ajustes de máquinas no modelo virtual, reduzindo tempos de setup no mundo físico.

Integração horizontal e vertical do sistema

• Companhias, departamentos, funções e capacidades serão mais coesos.
• Integrará dados entre empresas, automatizando cadeias de valor.

Internet of Things na indústria

• Muitos dispositivos e produtos em elaboração serão habilitadas com computação embarcada.
• Permitirá dispositivos de campo de comunicarem e interagirem entre si, e com controladores centralizados/distribuídos.
• Análises e tomadas de decisões descentralizadas, em tempo real.

Segurança cibernética

• Novos requisitos de segurança surgiram com a ampliação de acesso da Internet, dentro de ambientes de manufatura.
• Sistemas críticos industriais serão providos de segurança adequada a esse novo cenário.

A nuvem

• Os relacionamentos entre as companhias e consumidores demandam trocas massivas de dados, com requisitos de comunicação em milissegundos.

• Tecnologias de nuvens e serviços baseados em dados permitirão tal integração.

• Manufatura aditiva

• Tecnologias como impressão 3D começaram a fazer parte dos processos de prototipação e fabricação das empresas e serão cada vez mais utilizadas na Indústria 4.0, oferecendo vantagens para projetos complexos com baixo custo.

Realidade aumentada

• Sua adoção permitirá simplificar e estender a interface de novos sistemas, agora dotados de muita informação em tempo real.

Robôs colaborativos (CoBots)

Limitação de força

• Permite evitar ou desviar de obstáculos, como um operário humano agiria em seu espaço de trabalho.

Parada de emergência

• Sensores permitem o cobot detectar a proximidade de humanos (corpo ou membros) e interromper a atividade.

Monitoramento de velocidade

• Permite reduzir a velocidade de operação de forma proporcional à proximidade de humanos.

Manuseio direto

• Sensores de força ou pressão permitem o robô ser guiado diretamente pelo manuseio do operador em seu TCP.