Robótica - Resumão para P1

August 15, 2024 10 minuto(s) de leitura

Aula I

Definições de robô

Máquina, autômato de aspectro humano, capaz de se movimentar e de agir.
Mecanismo comandado por controle automatico.
Mecanismo automatico que efetua operações repetitivas.

Definições ISO

ISO 9283:1998
Visa facilitar o entendimento entre usuários e fabricantes de robôs e sistemas robóticos.
Define as principas características de funcionamento.
Descreve como devem ser especificados.
Recomenda como realizar 14 testes para verificar se o robô obedece à especificação.

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 para manuseio direto.
Sensores de força ou pressão
Permitem o robô ser guiado diretamente pelo manuseio do operador em seu TCP.

Classificação de robôs

Pela forma
Seriais e paralelos
Mãos robóticas
Pernas
Com rodas e voadores
Humanóides e animais
Pela área de aplicação
Industriais
De serviço e de assistência
Veículos
Brinquedos
Na medicina, entre outros…
Pela capacidade de remodelagem
Modulares
Não modulares
Pelo tipo de controle
Não adaptativo (predefinido, determinístico) VS adaptativo (reativo, mudanças no ambiente, baseado em comportamento)
Centralizado ou distribuído
Baseado em posição ou velocidade
Baseado em impedância
Pela mobilidade
Móveis
Estáticos

Robôs, humanos e o ambiente

Interações de robôs e humanos no ambiente

Atores: robôs e humanos
Objetos

Relações

Robô-robô
Robô-humano
Robô-objeto
Humano-humano
Humano-robô
Humano-objeto

Interação entre robôs - Multi-robôs (Lynne Parker)

Arquiteturas: distribuição, diferenciação, comunicação.
Compartilhamento: espaço, objetos, meio de comunicação.
Comportamento coletivo – inspiração biológica: eusocial (instintivo) ou cooperativo (vontade).
Níveis de controle: global e local.
Aplicações: localização, transporte, geometria e funcionalidade.

Interações robôs-objetos - Behaviorismo (Rodney Brooks)

Inspirou modelo de controle para robôs.
Abordagem tradicional: sense-plan-act.
Comportamento reativo.
Sensoriamento do ambiente.
Vários níveis plan reagem ao mesmo estímulo sentido (sense) e interferem o sinal de saída (act).

Interação humano-robô - Expressões faciais (Cynthia Breazeal)

Robôs Leonardo e Kismet.
Reagem a expressões faciais e sons.
Não há contato físico.
Papel deliberativo do humano

Cabe ao humano ensinar o comportamento esperado.

Pessoas sentem-se incentivadas a interagir

Formato físico lembra humanos ou animais.
Ideia defendida por Brooks.

Interação humano-robô - Contato físico (Neville Hogan)

Controle de impedância

Baseado no equilíbrio de forças.
Ao se romper o equilíbrio, ocorre a reação.
Pode ser ajustada para o efeito desejado (mola, amortecimento, inércia).
Resultados tem sido aplicados em interações físicas extremamente delicadas, como na reabilitação motora de membros (braços e pernas).

Interação humano-robô - Uso de BMI (Miguel Nicolelis)

Brain-Machine Interfaces.
Aplicado inicialmente em macacos

Aprendizado do sistema a partir da BMI.
Sinal composto de diversos pontos.

Principal resultado

Macaco aprendeu a controlar um membro novo (robô).
Pode-se aplicar em implantes de membros novos.

Abordagem

Solução “caixa preta”, não serve para representar a conectividade neuronal (plasticidade).

Colaboração robô-humano - Colaboração (José Martins Junior)

Ambiente colaborativo robô-humano.
Adaptação do modelo de Brooks

Definição dos contextos global e local
Camadas superiores para suportar deliberação

Aula II

Composição de robôs

O que é uma junta?

É um elemento que conecta 2 corpos (elos - links) e que permite ou restringe a transmissão de movimento, força ou torque.
Atuam como restrições geométricas em movimentos de rotação ou tranlação.
Ex: junta rotacional, prismática, cilíndrica ou esférica.

O que são corpos (ou links)?

Os corpos definem a estrutura geral do robô e são conectados pelas juntas.
Um corpo tem dimensões e características físicas inerentes ao material que o compõe.

Cite as partes de um manipulador.

Base: onde o braço é fixado - principal ponto de referência em relação aos movimentos.
Corpo (ou link): cada para que compõe o braço.
Juntas: conectam os corpos (os links) e definem os movimentos.
Punho: parte do braço com várias juntas que possibilitam muitos movimentos.
Ferramenta (ou end effector): é a ferramenta colocada na ponta do punho - varia de acordo com a tarefa. Ex: garra, ventosa, revólver de pintura, solda, serra …

Descreva manipulador.

É a unidade mecânica que tem movimentos similares a de um braço humano.

O que são efetuadores?

Também chamados de end effector ou end of arm tool (EOAT), são peças anexadas no ponto do montagem ou TCP (tool center point). Alguns dos efetuadores podem ser garras e mãos ou ferramentas como tocha para solda, pistola de pintura, etc …

O que é TCP?

TCP (tool center point) é o ponto do montagem.

Explique graus de liberdade.

Também conhecido como GDL ou Degrees of Freedom (DOF), são números de parâmetros independentes necessários para se definir de forma única a localização de um corpo no espaço e definem as possibilidades de movimentação de um objeto.

Cada movimento de rotação ou translação define um grau de liberdade.
Uma junta pode ter diversos graus de liberdade.

Manipulares industriais geralmente possuem 6 GDLs.

Explique em que GDLs os objetos podem se mover.

Translações (posições)

Frente ou para trás (eixo X)
Cima ou para baixo (eixo Y)
Esquerda ou direita (eixo Z)

Rotações (direções ou orientações)

Yoll (rotação ao redor de X)
Raw (ao redor de Y)
Pitch (ao redor de Z)

Explique cadeia cinemática e seus tipos.

Cadeias aberta

A trajetória entre 2 corpos é única e excluindo o solo, o número de corpos é igual ao número de juntas.

Cadeias fechadas

Loops

nL = nG – nB

Onde:
nL: Número de Loops
nG: Número de Juntas
nB: Número de Corpos (excluindo o solo)

Cadeias parcialmente fechadas

Funcionam justamente como reforço para o outro corpo ou junta.

Resumo

A escolha entre uma cadeia cinemática aberta ou fechada depende das necessidades específicas da aplicação robótica. Para tarefas que requerem precisão e alta rigidez, como na cirurgia robótica ou em plataformas de simulação, uma cadeia cinemática fechada pode ser mais adequada. Para tarefas mais simples, como manipulação de objetos ou montagem, onde a simplicidade e o custo são mais importantes, uma cadeia cinemática aberta pode ser preferível.

Cálculo dos graus de liberdade

PUMA

O que é envelope de trabalho

É a região no espaço tridimensional onde a mão ou a ferramenta de trabalho (manipulador) consegue alcançar.
Depende do projeto mecânico do robô.
Também define a área de trabalho de um operário humano.

O que é resolução

É a menor mudança de posição possível que o robô pode realizar ou que seu sistema de controle pode perceber.
É determinada pelo projeto do robô e de seu controle.

Dois tipos:

Resolução do programa
menor mudança de posição permitida no programa de controle de robô - Basic Resolution Unit (BRU).
Rsolução do controle
menor mudança de posição que o dispositivo sensor consegue captar.

Explique acurácia

É o maior erro de aproximação a uma posição no espaço pelo robô.
Depende do tipo do robô e da precisão do controle de cada junta.

Pode ser descrita como metade da resolução de controle, considerando o pior caso.

É aferida e estimada pelo fabricante para um limite de carga.
Cargas maiores causam deflexões maiores e degradam a acurácia.

Explique repitibilidade

É a capacidade do robô em repetir uma mesma posição no mesmo espaço.
É uma medida estática associada a acurácia.

Ex: se uma posição desejada não é atingida, mas sempre o mesmo erro acontece, então a acurácia é ruim mas a repetibilidade é boa.

Descreva as outas medidas

Carga (payload) - peso máximo que o robô é projetado para operar repetidamente com a mesma acurácia.

Tamanho - dimensões totais do robô.

Velocidade e aceleração - velocidade e aceleração máximas de cada junta e também da ponta do robô.

Ciclo - tempo de execução de uma tarefa ou trajetória.

Compliance (ou Flexibilidade Estática) - deslocamento do atuador em resposta a uma força ou torque exercido sobre o mesmo.

Overshoot - capacidade do robô parar de forma suave e precisa em um ponto.

Cite e explique as configurações de manipuladores

Retangulares

Conhecidos como cartesianos.
Movimento por meio de coordenadas cartesianas (eixos x, y e z).
Utiliza juntas prismáticas a 90 graus.
Pertencem à classe de robôs manipuladores PPP (prismático-prismático-prismático) - possuem as 3 primeiras juntas deslizantes (prismáticas)

Gantry (pórtico)

Similar aos cartesianos.
Funciona com base em suportes paralelos na lateral.
Também são da classe PPP.
Lembram uma ponte rolante.

Cilíndricos

Movimento através de coordenadas cilíndricas - altura, rotação e extensão do braço.
Robôs RPP (rotativo-prismático-prismático).

Esféricos (ou polares)

Movimento por meio de coordenadas polares - rotação, tilt, extensão do braço.
Robôs RRP (rotativo-rotativo-prismático).
Ex: UNIMATE e Stanford.

Articulados

Manipulador com diversos graus de liberdade - acima de 6.
Possui as 3 primeiras juntas rotatórias (RRR) que permitem realizar o posicionamento do TCP no espaço de trabalho e outras 3 para posição/orientação da ferramenta.
Ex: PUMA.

SCARA

Manipulador não tradicional, que possui juntas rotativas com eixos na vertical São robôs RRP (rotativo-rotativo-prismático).
Criado para manipular objetos pequenos com precisão e com agilidade e não rotacionam nem para cima nem para baixo.
Ideal para tarefas pick-na-place.

Sistemas de comando

Envia comandos de movimento para a unidade de controle.
A unidade de controle executa e controla individualmente cada atuador.

Controlador de Movimento / Amplificador de Potência

Sensores para alimentação

A imagem acima mostra a construção básica de um codificador rotativo incremental usando tecnologia óptica. Um feixe de luz emitido por um LED passa através do disco de código, que é modelado com linhas opacas (muito parecido com os raios em uma roda de bicicleta). À medida que o eixo do codificador gira, o feixe de luz do LED é interrompido pelas linhas opacas no Disco de Código antes de ser captado pelo Conjunto de Fotodetector. Isto produz um sinal de pulso: luz = ligada; sem luz = desligada. O sinal é enviado para o contador ou controlador, que enviará o sinal para produzir a função desejada.

Comente sobre acionamento elétrico

Vantages
Maior precisão,
Maior repetibilidade e
Mais limpos - grande velocidade.

Desvantagens
Reação de força é menor que sistemas hidráulicos - redução pode oferecer ganho de força.
Tipos mais usados: motores de passo a passo, servomotores.

Explique servomotores

São compostos por

Motores DC ou AC
Redutor de velocidade
Sensor de posição
Sistema de controle realimentado (malha fechada)

Comandados em posição (angular ou linear)

O sensor de posição informa constantemente a posição do rotor para realimentação do controle em malha fechada.
Posição angular é ajustada por um sinal de controle composto (posição desejada + erro), enviado ao motor.

Explique motores de passo

Usados em serviço relativamente leves (baixa carga).
Podem ser bipolares ou unipolares.
Fontes de tensão contínua - requerem um circuito digital que produza as sequências de sinais para que o motor funcione corretamente.
Controle da velocidade depende da frequência com que os pulsos são gerados.

Duas formas comuns de acionamento

Passo completo - apenas uma bobia é acionada por passo.
Meio passo - intercalam-se acionamentos de uma a duas bobinas a cada passo.

Comente sobre acionamento pneumático

Vantagens
Baixo custo.

Desvantagens
Menor precisão e suporta menor carga.

Aplicações em robótica - robôs de pequeno porte com poucos GDLs, garras e ventosas.
Lineares ou rotativos.

Comente sobre acionamento hidraúlico

Vantagem
permite valores elevados de velocidade e de força.

Desvantagem
custo elevado, vazamento e manutenção.

Acionadores similares aos pneumáticos.

Sistema de redução

Explique tipos de efetuadores

Podem ser divididos em 3 categorias

Garras (Grippers): projetados para “agarrar”, segurar objetos
“Mãos” Robóticas
Ferramentas (Processing Tools): projetados para trabalhar, processar objetos

Comente os tipos de garras

Existem as mecânicas (angular e paralelas) (interna ou externa), ventosas, garras magnéticas, “mãos” robóticas, soldas, tochas, corte e outras.

Aula III

Revisão de Trigonometria

Translação 2D

Escala 2D

Rotação 2D

Rotação 2D sobre um ponto

Observação

Aula IV

Cinemática direta em manipuladores
Método Denavit-Hartenberg

Transformação para um link

Matriz cinemática resultante

Resulta do produto das matrizes de transformação de cada link.

Relaciona o sistema de coordenadas solidárias à base do robô com o sistema de coordenadas associadas à sua ferramenta terminal.

Notação D-H (Letrinhas)

Ai-1: distância entre origem de { i } e a origem de { i - 1 } ao longo de Xi-1.
αi-1: reorientação de { i } em relação a { i - 1 } sobre Xi-1.
Di: distância entre a origem de { i } e a origem de { n } ao longo de Zi.
Θi: reorientação d { i } sobre Zi.

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