Braco Mecanico

O BRAÇO MECÂNICO

Neste capítulo estudaremos o braço mecânico do robô, seus tipos de juntas e graus de liberdade, seus tipos de articulações, sua área de trabalho (work envelope), e suas formas de acionamento.

O braço do robô executa movimentos no espaço, transferindo objetos e ferramentas de um ponto para outro, instruído pelo controlador e informado sobre o ambiente por sensores. Na extremidade do braço existe um atuador usado pelo robô na execução de suas tarefas. Todo braço de robô é composto de uma série de vínculos e juntas, onde a junta conecta dois vínculos permitindo o movimento relativo entre eles, como mostrado na figura 1. Todo robô possui uma base fixa e o primeiro vínculo está preso a esta base. A mobilidade dos robôs depende do número de vínculos e articulações que o mesmo possui.

FIGURA 1 - Junta e vínculos em um braço de robô

Os braços de robôs podem ser formados por três tipos de juntas:

juntas deslizantes; juntas de rotação; juntas de bola e encaixe.

A maioria dos braços dos robôs são formadas pelas juntas deslizantes e de revolução, embora alguns incluam o de bola e encaixe. A seguir será descrito cada um destes tipos de juntas.

Robô Cilíndrico

A área de trabalho destes robôs são maiores que os robôs cartesianos, mas a rigidez mecânica é ligeiramente inferior. O controle é um pouco mais complicado que o modelo cartesiano, devido a vários momentos de inércia para diferentes pontos na área de trabalho e pela rotação da junta da base.

Robôs Esféricos.

Estes robôs possui duas juntas de revolução e uma deslizante, sendo codificado como RRP, como na figura 8.

Rodrigo Bernardo Moreira

FIGURA 8 - Robô Esférico

Estes robôs tem uma área de trabalho maior que os modelos cilíndricos, mas perde na rigidez mecânica. Seu controle é ainda mais complicado devido os movimentos de rotação.

Robôs com Articulação Horizontal.

Caracterizam-se por possuir duas juntas de revolução e uma deslizante, sendo codificados RRP, como na figura 9.

Rodrigo Bernardo Moreira

FIGURA 9 - Robô com Articulação Horizontal

A área de atuação deste tipo de robô é menor que no modelo esférico, sendo apropriados para operações de montagem, devido ao movimento linear vertical do terceiro eixo.

Robôs com Articulação Vertical.

Estes robôs caracterizam-se por possuir três juntas de revolução, sendo codificados por R, como na figura 10.

Rodrigo Bernardo Moreira

FIGURA 10 - Robô com Articulação Vertical

Sua área de atuação é maior que qualquer tipo de robô, tendo uma baixa rigidez mecânica. Seu controle é complicado e difícil, devido as três juntas de revolução e devido à variações no momento de carga e momento de inércia.

Nesta seção será feita uma análise matemática elementar para o calculo da capacidade dos robôs. As comparações são ilustradas na figura 1 e o calculo da área de trabalho segue-se após a mesma.

Robôs Cartesianos - Alcançam qualquer ponto de um cubo de lado L.

Robôs Cilíndricos - alcançam qualquer ponto em um cilindro de altura L e raio 2L, exceto os pontos do cilindro interno de raio L e altura L.

Rodrigo Bernardo Moreira

V = 9,42 * L * L * L

Robôs Esféricos - alcançam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L, exceto a esfera interna de raio L.

V = 29,32 * L * L * L

Robôs de Articulação Horizontal - alcançam qualquer ponto de um cilindro de raio 2L e altura L.

V = 12,56 * L * L * L Robôs de Articulação Vertical - Alcançam qualquer ponto de uma esfera de raio 2L.

V = 3,51 * L * L * L

Dessa forma, os robôs possuem um progressivo aumento na sua área de atuação, indo do cartesiano até o de articulação vertical. Então, a razão entre a área relativa aos casos extremos é:

Isto significa que a área de trabalho de um robô com articulação vertical com 2 vínculos de tamanho L é 3,51 vezes maior que a área de trabalho do robô cartesiano com 3 vínculos de tamanho L.

Rodrigo Bernardo Moreira

FIGURA 1 - Comparação da Área de Trabalho dos tipos de robôs

A avaliação dos tipos de articulações e seu arranjo, permite ao projetista estimar a área de atuação do robô, rigidez mecânica e facilidade de controle do braço, possibilitando qual tarefa será mais apropriada para cada tipo de robô. O movimento das articulações

Rodrigo Bernardo Moreira capacitam o robô a mover seu atuador para qualquer ponto na sua área de atuação, mas não habilitando o controle da orientação do atuador no espaço; cuja importância não se restringe somente ao alcance da peça, mas também em conduzir o atuador a uma certa altitude em relação a peça. Essa tarefa pode ser realizada adicionando-se articulações para o pulso do braço, dando um maior grau de liberdade. A partir disso, o robô fica habilitado a realizar os seguintes movimentos:

Pitch - movimento para cima e para baixo. Roll - movimento de rotação no sentido horário e anti-horário. Yaw - movimento para a esquerda e para a direita.

Um importante fator na construção dos vínculos é a carga que o mesmo suporta, o peso do próprio braço e o grau de rigidez do mesmo. Um braço pesado necessita de um motor maior, tornando o custo do robô mais elevado. Um braço de baixa rigidez reduz a precisão do robô devido às vibrações e resposta à tensão. Para aumentar a rigidez mecânica do braço sem aumentar seu peso, freqüentemente usa-se uma estrutura oca. A utilização deste tipo de estrutura tem uma melhor dureza quando comparada com uma construção maciça utilizando a mesma massa de material. Essa comparação é mostrada na figura 12.