PRÓ-REITORIA DE PESQUISA, PÓS-GRADUAÇÃO E INOVAÇÃO

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO  REITORIA PRÓ-REITORIA DE PESQUISA, PÓS-GRADUAÇÃO E INOVAÇÃO

Projeto: Desenvolvimento de Sistemas Mecatrônicos e Robótica Educacional

Plano de atividades: Controle de posição aplicado a um Robô Manipulador Tipo SCARA como Instrumento Pedagógico de Ensino

Plano de atividades apresentado à PROPESQ como parte dos requisitos do PIC do IFPE, sob orientação do Prof. Alexander Patrick Chaves de Sena.

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1. RESUMO

Para a execução de qualquer tarefa utilizando um robô manipulador, é necessário posicioná-lo com precisão num lugar do espaço e num determinado instante de tempo. Esta proposta se refere ao desenvolvimento de um sistema de controle de posição contínuo em arquitetura aberta para um robô manipulador tipo SCARA com cinco graus de liberdade, voltado para o ensino, cuja metodologia irá empregar como meta a contabilidade, funcionalidade e otimização de custos. Para movimentação dos eixos serão utilizados motores de passo com acionamento em micropasso. A concepção de controlador utilizada visa cumprir ainda os seguintes requisitos: alta capacidade de processamento, conectividade com outros sistemas, disponibilidade para acesso remoto, facilidade de manutenção, flexibilidade na implementação dos algoritmos, integração com um computador pessoal e programação em alto nível. O manipulador irá passar por fase de desenvolvimento e testes de seu sistema mecânico, circuitos de interface, sistema embarcado e programação, com o objetivo de explorar todas as características de velocidade, precisão e repetibilidade.

2. INTRODUÇÃO

2.1. Justificativa

Tendo em vista a constante busca por melhorias na metodologia de ensino, é crescente a necessidade de aperfeiçoamento nas técnicas de educação, sendo uma das maneiras mais eficientes, a união da teoria com a prática. De acordo com Rothe-Neves, Silva e Barreiros (2004), a utilização de protótipos didáticos no ensino e pesquisa é fundamental tanto para estimular alunos, quanto para direcionar os professores a não limitar a educação aos métodos comuns, como: quadro, projeto e simulações, que apenas com a teoria, podem dificultar o entendimento e ocultar problemas existentes nos sistemas reais. Neste contexto, a robótica apresenta grande potencial como ferramenta interdisciplinar, visto que a construção de protótipos, em geral faz com que o aluno questione e seja capaz de relacionar diferentes conhecimentos e aptidões, de forma a solucionar um problema (CELINSKI et al., 2012). A busca por soluções estimula o espírito investigativo, fortemente motivado pela curiosidade, e permite que o aluno extrapole os conhecimentos restritos de cada disciplina. Assim a robótica assume o papel de uma ponte de ligação interdisciplinar visando à construção do conhecimento coletivo por meio da aplicação com a realidade.

Objetivando-se um auxilio nas práticas laboratoriais das disciplinas na área de robótica, a presente proposta exemplifica a importância da metodologia de projetos integralizadores multidisciplinares como instrumento pedagógico facilitador e eficiente no aprendizado de vários conceitos de engenharia associando, didaticamente, os elementos usados na prática com a teoria apresentada em sala de aula. Com o propósito de demonstrar o potencial do método, esse trabalho descreve a plataforma de hardware e software que será desenvolvida para o controle de posição contínuo aplicado a um robô manipulador tipo SCARA, tomando como base referências bibliográficas clássicas na área de engenharia de controle moderno de circuitos elétricos, eletrônicos e digitais e de um sistema de controle industrial típico, entendendo-se que a realização de atividades práticas envolvendo este sistema pode ser uma ferramenta útil para melhorar o rendimento dos alunos nas disciplinas e também servir como um elemento motivador para manter o interesse pela área.

2.1. Fundamentação teórica

Dentro do vasto campo dos sistemas robóticos, podem-se destacar os dispositivos que são chamados de manipuladores robóticos, que são robôs utilizados para mover objetos (manipular) ao seu redor. Essas máquinas encontram aplicações em diferentes campos desde a área industrial, onde desempenham as mais variadas funções como manipulação de materiais, soldagem, pintura a spray, dentre outros, até a área médica, onde podem ser utilizados em processos de tele cirurgia (MELLO, 2006). Criado em 1979 na Universidade de Yamanashi, no Japão, o robô SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) foi desenvolvido a fim de atender uma demanda específica da indústria, mas por se popularizar, deixou de ser uma configuração especial (STONE e KURFESS, 2005).

O manipulador robótico do tipo SCARA, é dotado tradicionalmente de uma base fixa seguida de duas juntas rotativas, uma prismática e, em alguns modelos, uma junta rotativa de orientação, como apresentado na Fig. (1a). Estes dispositivos são adaptados para aproximação vertical, o que os torna ágeis na movimentação de objetos e, por terem boa velocidade e precisão, são largamente utilizados em montagens precisas que envolvem grande número de itens, como circuitos eletrônicos (PADOIN, 2011). Entretanto, seu volume de trabalho é limitado a 4πL3, sendo L o comprimento de cada elo. O modelo estrutural deste trabalho tem uma movimentação da base a fim de aumentar o espaço de trabalho, configurando-se quatro graus de liberdade para posicionamento conforme Fig. (1b). O quinto grau corresponde à garra, a qual será concebida visando atender à necessidade de transportar materiais com superfícies laterais planas.

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Figura 1 – Conjunto mecânico posicionador do manipulador SCARA: (a) mecanismo tradicional e (b) mecanismo estendido a ser programado.

O uso de robôs manipuladores em tarefas industriais é uma realidade consolidada, e faz-se necessário o aperfeiçoamento das interfaces homem-máquina para que as tarefas possam ser diversificadas e adaptadas às necessidades do usuário (COELHO et al., 2009). O problema de controle de posição envolve várias etapas. Inicialmente, o operador do robô especifica um ou mais objetivos a serem alcançados. Neste processo, pode ser necessário especificar algumas características adicionais: o tempo de percurso para atingir cada objetivo, o tipo de trajetória a ser percorrida, etc. Uma segunda etapa envolve o desenvolvimento de um algoritmo de programação que observe a posição atual e o objetivo ser alcançado. Esta etapa tem por finalidade gerar referências para os controladores de juntas, de modo a que o manipulador se movimente suavemente até o seu objetivo.