CAPTULO 3O BRAO MECNICO

INTRODUO.Neste captulo estudaremos o brao mecnico do rob, seustipos de juntasegraus de liberdade, seustipos de articulaes, suarea de trabalho(work envelope), e suasformas de acionamento.O brao do rob executa movimentos no espao, transferindo objetos e ferramentas de um ponto para outro, instrudo pelo controlador e informado sobre o ambiente por sensores. Na extremidade do brao existe um atuador usado pelo rob na execuo de suas tarefas. Todo brao de rob composto de uma srie de vnculos e juntas, onde a junta conecta dois vnculos permitindo o movimento relativo entre eles, como mostrado na figura 1. Todo rob possui uma base fixa e o primeiro vnculo est preso a esta base. A mobilidade dos robs depende do nmero de vnculos e articulaes que o mesmo possui.

FIGURA 1 - Junta e vnculos em um brao de robTIPOS DE JUNTAS.Os braos de robs podem ser formados por trs tipos de juntas: juntas deslizantes; juntas de rotao; juntas de bola e encaixe.A maioria dos braos dos robs so formadas pelas juntas deslizantes e de revoluo, embora alguns incluam o de bola e encaixe. A seguir ser descrito cada um destes tipos de juntas.Juntas Deslizantes.Este tipo de junta permite o movimento linear entre dois vnculos. composto de dois vnculos alinhados um dentro do outro, onde um vnculo interno escorrega pelo externo, dando origem ao movimento linear. Este tipo de junta mostrada na figura 2, como segue.

FIGURA 2 - Junta deslizanteJuntas de Rotao.Esta conexo permite movimentos de rotao entre dois vnculos. Os dois vnculos so unidos por uma dobradia comum, com uma parte podendo se mover num movimento cadenciado em relao outra parte, como mostrado na figura 3. As juntas de rotao so utilizadas em muitas ferramentas e dispositivos, tal como tesouras, limpadores de pra-brisa e quebra-nozes.

FIGURA 3 - Junta de rotaoJuntas de Bola e Encaixe.Esta conexo se comporta como uma combinao de trs juntas de rotao, permitindo movimentos de rotao em torno dos trs eixos, como mostrado na figura 4.

FIGURA 4 - Junta de bola e encaixeEstas juntas so usadas em um pequeno nmero de robs, devido dificuldade de ativao. De qualquer maneira, para se ter a performance de uma junta bola e encaixe, muitos robs incluem trs juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentao se cruzam em um ponto, como na figura 5.

FIGURA 5 - Trs juntas rotacionais substituindo a junta de bola e encaixeGRAUS DE LIBERDADE.O nmero de articulaes em um brao do rob tambm referenciada como grau de liberdade. Quando o movimento relativo ocorre em um nico eixo, a articulao tm um grau de liberdade. Quando o movimento por mais de um eixo, a articulao tm dois graus de liberdade. A maioria dos robs tm entre 4 a 6 graus de liberdade. J o homem, do ombro t o pulso, tm 7 graus de liberdade.CLASSIFICAO DOS ROBS PELO TIPO DE ARTICULAO. usual classificar os robs de acordo com o tipo de junta, ou mais exatamente, pelas 3 juntas mais prximas da base do rob. Esta diviso em classes fornece informaes sobre caractersticas dos robs em vrias categorias importantes:1. Espao de trabalho.2. Grau de rigidez.3. Extenso de controle sobre o curso do movimento.4. Aplicaes adequadas ou inadequadas para cada tipo de rob.Robs podem ser classificados pelo tipo de juntas em cinco grupos:-Cartesiano.-Cilndrico.-Esfrico.-Articulao horizontal.- Articulao vertical.O cdigo usado para estas classificaes consiste em trs letras, referindo-se ao tipo de junta ( R = revoluo, P = deslizante - do ingls prismatic ) na ordem em que ocorrem, comeando de junta mais prxima base.Robs Cartesianos.O brao destes robs tm trs articulaes deslizantes sendo codificado como PPP, como na figura 6.

FIGURA 6 - Rob CartesianoOs robs cartesianos caracterizam pela pequena rea de trabalho, mas com um elevado grau de rigidez mecnica e so capazes de grande exatido na localizao do atuador. Seu controle simples devido ao movimento linear dos vnculos e devido ao momento de inrcia da carga ser fixo por toda a rea de atuao.Robs Cilndricos.Os braos destes robs consistem de uma junta de revoluo e duas juntas deslizantes, sendo codificada como RPP, como segue na figura 7.

FIGURA 7 - Rob CilndricoA rea de trabalho destes robs so maiores que os robs cartesianos, mas a rigidez mecnica ligeiramente inferior. O controle um pouco mais complicado que o modelo cartesiano, devido a vrios momentos de inrcia para diferentes pontos na rea de trabalho e pela rotao da junta da base.Robs Esfricos.Estes robs possui duas juntas de revoluo e uma deslizante, sendo codificado como RRP, como na figura 8.

FIGURA 8 - Rob EsfricoEstes robs tem uma rea de trabalho maior que os modelos cilndricos, mas perde na rigidez mecnica. Seu controle ainda mais complicado devido os movimentos de rotao.Robs com Articulao Horizontal.Caracterizam-se por possuir duas juntas de revoluo e uma deslizante, sendo codificados RRP, como na figura 9.

FIGURA 9 - Rob com Articulao HorizontalA rea de atuao deste tipo de rob menor que no modelo esfrico, sendo apropriados para operaes de montagem, devido ao movimento linear vertical do terceiro eixo.Robs com Articulao Vertical.Estes robs caracterizam-se por possuir trs juntas de revoluo, sendo codificados por RRR, como na figura 10.

FIGURA 10 - Rob com Articulao VerticalSua rea de atuao maior que qualquer tipo de rob, tendo uma baixa rigidez mecnica. Seu controle complicado e difcil, devido as trs juntas de revoluo e devido variaes no momento de carga e momento de inrcia.COMPARAO DA REA DE TRABALHO DOS ROBS.Nesta seo ser feita uma anlise matemtica elementar para o calculo da capacidade dos robs. As comparaes so ilustradas na figura 11 e o calculo da rea de trabalho segue-se aps a mesma.Robs Cartesianos - Alcanam qualquer ponto de um cubo de lado L.V = L*L*LRobs Cilndricos - alcanam qualquer ponto em um cilindro de altura L e raio 2L, exceto os pontos do cilindro interno de raio L e altura L.V = 9,42*L*L*LRobs Esfricos - alcanam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L, exceto a esfera interna de raio L.V = 29,32*L*L*LRobs de Articulao Horizontal - alcanam qualquer ponto de um cilindro de raio 2L e altura L.V = 12,56*L*L*LRobs de Articulao Vertical - Alcanam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L.V = 33,51*L*L*LDessa forma, os robs possuem um progressivo aumento na sua rea de atuao, indo do cartesiano at o de articulao vertical. Ento, a razo entre a rea relativa aos casos extremos :Vav/Vc = 33,51Isto significa que a rea de trabalho de um rob com articulao vertical com 2 vnculos de tamanho L 33,51 vezes maior que a rea de trabalho do rob cartesiano com 3 vnculos de tamanho L.

FIGURA 11 - Comparao da rea de Trabalho dos tipos de robsCONVENINCIA PARA TAREFAS PARTICULARES.A avaliao dos tipos de articulaes e seu arranjo, permite ao projetista estimar a rea de atuao do rob, rigidez mecnica e facilidade de controle do brao, possibilitando qual tarefa ser mais apropriada para cada tipo de rob. O movimento das articulaes capacitam o rob a mover seu atuador para qualquer ponto na sua rea de atuao, mas no habilitando o controle da orientao do atuador no espao; cuja importncia no se restringe somente ao alcance da pea, mas tambm em conduzir o atuador a uma certa altitude em relao a pea. Essa tarefa pode ser realizada adicionando-se articulaes para o pulso do brao, dando um maior grau de liberdade. A partir disso, o rob fica habilitado a realizar os seguintes movimentos: Pitch - movimento para cima e para baixo. Roll - movimento de rotao no sentido horrio e anti-horrio. Yaw - movimento para a esquerda e para a direita.CONSTRUO DOS VNCULOS.Um importante fator na construo dos vnculos a carga que o mesmo suporta, o peso do prprio brao e o grau de rigidez do mesmo. Um brao pesado necessita de um motor maior, tornando o custo do rob mais elevado. Um brao de baixa rigidez reduz a preciso do rob devido s vibraes e resposta tenso. Para aumentar a rigidez mecnica do brao sem aumentar seu peso, freqentemente usa-se uma estrutura oca. A utilizao deste tipo de estrutura tem uma melhor dureza quando comparada com uma construo macia utilizando a mesma massa de material. Essa comparao mostrada na figura 12.

FIGURA 12 - Estruturas para a construo de vnculosDRIVER'S DE ACIONAMENTO DO BRAO DO ROB.Existem vrios tipos de Driver's que so classificados genericamente como: pela forma de movimento- Drivers de Rotao e de Deslizamento. pela forma de acionamento- Drivers Eltrico, Hidrulico, Pneumtico pela forma de conexo- Drivers Direto e IndiretoClassificao pela forma movimento: Driversde rotaoede deslizamentoDriver de rotao - consiste em um motor, que quando conectado sua fonte de energia, o eixo do motor responde em um movimento de rotao.Driver deslizante - consiste em um cilindro hidrulico ou pneumtico. O movimento linear tambm pode ser produzido por um movimento rotativo usando correias ou hastes empurradas pelo motor, fazendo uma converso de movimento rotativo em linear.Classificao pela forma acionamento: Driverseltrico,hidrulicoepneumticoDriver EltricoEste tipo de driver utiliza motores eltricos que podem ser: motor de corrente contnua, motor de passo e motor de corrente alternada. Muitos robs novos tem drivers de motor corrente contnua devido ao alto grau de preciso e simplicidade de controle do motor eltrico. As vantagens do driver eltrico:1. Eficincia calculada, controle preciso.2. Envolve uma estrutura simples e fcil manuteno.3. No requer uma fonte de energia cara.4. Custo relativamente pequeno.As desvantagens:1. No pode manter um momento constante nas mudanas de velocidade de rotao.2. Sujeitos a danos para cargas pesadas suficientes para parar o motor.3. Baixa razo de potncia de sada do motor e seu peso, necessitando um motor grande no brao.Driver hidrulicoEsta unidade composta de: motor de movimento rotativo e cilindro para movimento deslizante. A unidade de acionamento hidrulico provoca movimento em pistes que comprimem o leo, como mostra a figura 13.

FIGURA 13 - Unidade de acionamento hidrulicoO controle feito atravs de vlvulas que regulam a presso do leo nas duas partes do cilindro e que impulsionam o pisto. As vantagens do driver hidrulico:1. Momento alto e constante sob uma grande faixa de variao de velocidade.2. Preciso de operao (menor que o eltrico e maior que o pneumtico). O leo no compressvel e no h variao de seu volume quando se varia a presso.3. Pode manter um alto momento para um longo perodo de tempo, quando parado.As desvantagens so:1. Requer uma fonte de energia cara.2. Requer uma manuteno cara e intensa.3. Requer vlvulas de preciso caras.4. Est sujeito a vazamento de leo.Driver pneumticoEsta unidade similar hidrulica e composto de: motores pneumticos de movimento rotativo e cilindros pneumticos de movimento deslizante. Na figura 13 pode-se considerar a mesma para acionamento pneumtico, utilizando ar ao invs de leo. Possui um alto grau de preciso nas paradas. So utilizados em sistemas automticos simples, mas pouco utilizado em robs devido alta compressibilidade, o que reduz a habilidade de realizar controle preciso. muito utilizado em movimentos de agarramento, tanto para abrir como para fechar as garras. As vantagens do driver pneumtico:1. Podem operar em velocidades extremamente altas.2. Custo relativamente pequeno.3. Fcil manuteno.4. Podem manter um momento constante em uma grande faixa de velocidade.5. Pode manter alto o momento por longos perodos de tempo sem danos, quando parado.As desvantagens so:1. No possui alta preciso.2. Esta sujeito a vibraes quando o motor ou cilindro pneumtico parado.Resumindo, o driver eltrico melhor em aplicaes envolvendo: Alta preciso de posio; Transferncia de carga de tamanho pequeno e mdio; Pequenas ambientes para sistemas de compressores de leo e ar;O driver hidrulico trabalha melhor em situaes envolvendo: Transferncia de cargas pesadas ( de 2.000 pounds ou mais); De mdia para alta preciso na localizao e velocidade;O driver pneumtico prefervel em aplicaes envolvendo: Baixa preciso; Necessidade de baixo custo; Altas velocidades; Transferncias de pequenas e mdias cargas.Classificao pela forma de conexo: Drivers Direto e Indireto.No caso do driver direto, o motor montado diretamente na junta que ele ir mover. Se o motor montado longe da junta, prximo da base, o driver indireto; neste caso h elementos de transmisso como correntes, correias, diferenciais e engrenagens. As vantagens do driver indireto sobre o direto:1. Reduo do peso do brao mecnico;2. Permite mudanas na velocidade de rotao das juntas.As desvantagens do driver indireto sobre o direto:1. Falta de preciso da operao da junta devido a liberdade mecnica dos pontos de conexo entre os dispositivos de transferncia;2. Perdas considerveis de potncia.