Projeto de braço robótico: 7 explicações importantes

Fonte da imagem: Dreamstime

Assunto da discussão: Design de braço robótico e como funciona

O que é um braço robótico?

Braço robótico é um mecanismo composto de ligações, interconectadas por meio de juntas adequadas, para atingir os graus de liberdade e movimento espacial necessários para o trabalho pretendido. O manipulador robótico geralmente pode ser programado para tarefas específicas. Devido à sua semelhança funcional com a mão humana, também é conhecido como antropomórfico.

Considere uma indústria manufatureira onde os humanos usam ferramentas, mas realizam tarefas de ponta a ponta para fabricar um produto por conta própria. Agora, um braço robótico pode realizar muitas operações, desde corte de metal, junção de metal, pick & place e montagem de componentes até rotulagem de produtos, pintura em spray, etc., por si só, sem intervenção humana. O uso de motores elétricos e dispositivos eletrônicos como microcontroladores para acionar as articulações e articulações mecânicas torna um manipulador autossuficiente e parte importante do design de braço robótico.

A capacidade de um braço robótico de reproduzir os resultados com o mínimo de erro aumenta sua eficiência e velocidade de operação, portanto, o projeto ideal do braço robótico reduz o tempo e o custo do ciclo do produto. Sem intervenção humana, o risco de ferimentos também é bastante reduzido, facilitando o manuseio de materiais perigosos.

Tipos de braço robótico

Robô cartesiano / robô Gantry: O movimento espacial e a localização são definidos no sistema de coordenadas cartesianas, e seu braço é composto por três juntas prismáticas. Os usos deste robô variam desde o trabalho de coleta e colocação, manuseio de máquinas-ferramentas, soldagem a arco, aplicação de selante e execução de operações de montagem.

Robô cilíndrico: Os eixos deste robô são configurados no sistema de coordenadas cilíndricas. É usado para manusear máquinas de fundição sob pressão, manusear máquinas-ferramentas, realizar operações de montagem e soldagem por pontos.

Robô esférico / Robô polar: Seus eixos formam o sistema de coordenadas polares e é usado em operações de soldagem a gás, arco e ponto, fundição sob pressão de mecanismo de fettling e manuseio de ferramentas de máquinas.

Robô SCARA: Implica braço robótico de montagem de conformidade seletiva, que é particularmente útil para pequenas operações de montagem robótica. Como o nome sugere, ele fornece complacência em um plano com duas juntas rotativas paralelas e é rígido na terceira direção. É usado para manusear máquinas-ferramentas, aplicação de selante, operações de montagem e trabalho de coleta e colocação.

Robô articulado: O braço deste robô tem pelo menos três juntas rotativas. O Robotic Arm Design usa desde soldagem a gás e arco, pintura por pulverização, máquinas de fettling, fundição sob pressão e operações de montagem.

Robô paralelo: Um robô com juntas prismáticas ou rotativas concorrentes. Exemplos famosos são a plataforma Stewart e o robô Delta. Este tipo de robô é usado em simuladores de vôo de cockpit e alinhamento de fibra óptica.

Robô antropomórfico: Um desenho de robô que se assemelha a uma mão humana com dedos independentes.

O que se entende por Robotic Arm Design ?

Design mecânico de braço robótico

Inspirado por uma mão humana, o aspecto mecânico de um projeto de braço robótico consiste em várias ligações que podem ser pensadas como formando uma cadeia cinemática. Os links são conectados por juntas, que fornecem as capacidades de rotação e translação necessárias ao mecanismo. A parte do projeto de um braço robótico que interage com o ambiente é geralmente o último elo e é chamada de efetor final ou ferramenta de final de braço (EOAT). É aqui que a mão estaria em um braço humano.

Graus de liberdade

No Robotic Arm Design, o grau de liberdade (DoF) de um robô é determinado usando o número total de liberdade do corpo rígido menos o número de restrições em seu movimento. Essas restrições de movimento geralmente vêm das articulações. Por exemplo, juntas rotativas e prismáticas oferecem, cada uma, um único grau de liberdade entre os dois corpos que conectam. Uma junta universal oferece dois DoFs relativos e uma junta esférica oferece três DoFs relativos.

No Projeto de Braço Robótico de sistemas manipuladores em série e paralelo, o efetor final é posicionado com cinco graus de liberdade, consistindo em três DoF translacionais e dois para orientação. Uma relação direta pode assim ser obtida entre a posição do atuador e a configuração do manipulador.

A fórmula de Grubler é usada repetidamente para determinar a DoF de um braço robótico, que considera que as restrições sob a condição de que pelas articulações sejam autogeridas.

O grau de liberdade é descritivo de um braço robótico. Por exemplo, no caso de um robô em série, o número denota caracteristicamente o número de junta rotacional de eixo único no braço, onde um número maior especifica maior flexibilidade no alinhamento de uma ferramenta, portanto, é um parâmetro importante para o projeto do braço robótico.

Espaço de trabalho do robô

O espaço de trabalho do robô (também conhecido como espaço alcançável) é definido pela coleção de todos os pontos que podem ser alcançados pelo efetor final. Existem muitas variáveis ​​das quais o espaço de trabalho depende: os comprimentos dos links, limites de rotação e translação, configuração geral do mecanismo, etc. O espaço de trabalho de um projeto de braço robótico serial é descrito na figura abaixo. É um espaço de trabalho típico de um braço de robô 4 DoF. O grau de liberdade (DoF) oferecido pela rotação do punho não está incluído, pois a área de trabalho do robô não depende de sua orientação.

O volume de trabalho criado desta maneira define o espaço de trabalho para o robô, que pode ser alterado alterando os comprimentos de ligação e os graus de liberdade permitidos para o mecanismo.

O projeto mecânico pode ser limitado a 6 DoF, pois permite todos os movimentos necessários. Isso pode ajudar a controlar o custo e a complexidade do robô.

A representação típica do espaço de trabalho para vários tipos de braços robóticos é fornecida abaixo:

Design Eletrônico de braço robótico

Controle de Servo Motor

Dependendo da fonte de alimentação de entrada, os servos são motores AD ou DC (operados por bateria). Em geral, os servo motores fornecem alta relação torque / inércia, que é obtida por meio de um sistema de engrenagens embutido. O loop de controle de feedback permite uma precisão muito alta. Os servo motores DC pequenos e compactos são altamente populares com brinquedos, aplicações robóticas educacionais e aviões RC. A maioria dos servo motores tem um limite de rotação de cerca de 90 a 180 graus.

No entanto, alguns motores podem fornecer movimentos angulares mais elevados. A capacidade de oferecer um nível extremamente alto de precisão para orientação espacial torna os servo motores a escolha ideal para uso em braços e pernas de robôs, direção de cremalheira e pinhão e scanner de sensor. É fácil implementar os loops de controle de velocidade e ângulo, pois esses servos são totalmente independentes.

Fiação do servo: Normalmente, os servo motores têm três fios: O aterramento é identificado por meio de Preto ou Marrom. O poder é identificado por meio do vermelho. O fio de sinal é identificado como Amarelo, Laranja ou Branco (3-5 V).

Servo tensão (fios vermelho e preto / marrom): A tensão de operação do servo motor normalmente varia de 4.8 V a 6 V. Alguns servo motores micro operam em uma tensão menor, e alguns servo motores Hitec também estão disponíveis, que operam em uma tensão nominal mais alta.

Fio de sinal (fio amarelo / laranja / branco): Enquanto a energia é fornecida ao servo motor através dos fios preto e vermelho, os comandos para operar o servo são fornecidos através do fio de sinal. Geralmente, uma onda quadrada lógica de um comprimento de onda específico (~ 50 Hz) é enviada para o servo, que a orienta para um ângulo específico conforme o comprimento de onda é mapeado diretamente para o ângulo do servo. Por exemplo, no caso do Arduino Mega, ele recebe i / ps do PC para gerar a onda quadrada, que então controla a orientação angular do servomotor.

Microcontrolador (conceito básico de Arduino)

Os servomotores utilizam microcontroladores para controlar sua precisão e localização angular. Arduinos (um microcontrolador de placa única) são um exemplo que pode ser programado de acordo com a aplicação. Destina-se a um processador Atmel AVR, com alimentação de estruturas de E / S on-board com conexões USB.

Controle de braço robótico

Os braços robóticos podem ter controle manual ou capacidade autônoma. No modo manual, um robô é ensinado a fazer sua tarefa por um operador treinado (programador) que usa um dispositivo de controle portátil (um painel de controle) para realizar o objetivo. Este é um procedimento relativamente lento.

Um braço robótico típico tem uma configuração de controle de vários níveis, incluindo um microcontrolador, driver e uma interface de usuário baseada em computador. Conceitos de cinemática inversa são usados ​​para fornecer flexibilidade nos métodos de programação e controle. Esta implementação também é possível através do modo manual. Um microcontrolador típico possui uma placa de desenvolvimento / programação associada.

Cinemática Inversa

O conceito básico da cinemática direta é determinar a orientação e a posição do efetor final quando os ângulos da junta e os comprimentos dos elos do braço do robô são conhecidos. O inverso acontece na Cinemática Inversa quando a posição desejada do efetor final é conhecida, e o objetivo é descobrir os ângulos da junta para atingir o objetivo.

Por exemplo, considere a representação de um braço robótico planar 2 DoF, conforme mostrado acima. Para localizar o efetor final em uma posição conhecida no espaço cartesiano, as coordenadas do efetor final se tornarão as variáveis ​​de entrada xey em relação à base, que é tomada como origem.

Seleção de efetor final

Os robôs são usados ​​para uma variedade de aplicações. O efetor final deve ser escolhido para cumprir o referido objetivo. Pode ser uma pinça tipo mão destinada a operações de pegar e colocar em um local especificado, conforme mostrado abaixo, ou uma interface de soldagem para segurar os eletrodos. O manipulador pode ter uma interface de uma pistola de tinta spray para fins de pintura ou uma plataforma para simuladores, tornando-se um mecanismo complexo e a parte mais crucial do braço robótico. O efetor final pode ser pneumático, elétrico ou hidráulico. Um servo motor geralmente controla os efetores finais.

Vantagens e desvantagens do braço robótico

Vantagens do braço robótico

• Produtividade aumentada.
• São capazes de uma utilização eficaz de recursos e matérias-primas.
• Isso fornece flexibilidade no trabalho.
• Reduz o tempo de ciclo de fabricação do produto.
• A rejeição de produtos menores conta por conta de defeitos.
• Repetibilidade e precisão extremamente altas, minimizando erros e melhorando o desempenho.
• Mais seguro para manusear materiais perigosos, pois o risco de vida é reduzido.

Desvantagens do braço robótico

• Responsável pelo desemprego laboral.
• Custos elevados de instalação e instalação de equipamentos.
• Flexibilidade e funcionalidade limitada pelo design em comparação com a mão humana, que pode realizar várias tarefas.
• Programar para tarefas de alta precisão é um desafio.
• Exigência extensiva de instalação de sensor para feedback para realizar trabalho de precisão
• Próximos desafios relacionados à inteligência artificial e visão de máquina.
• Manutenção pós-parada e atrasos na linha de produção.

Aplicações notáveis ​​do braço robótico

Os braços robóticos afetam nossas vidas em grande escala, pois desempenham um papel essencial em indústrias que vão desde embalagens de alimentos à fabricação de automóveis e aplicações espaciais. Alguns exemplos dignos de nota estão listados abaixo:

No espaço, a Estação Espacial Internacional (ISS) é instalada com o Canadá e seu sucessor Canadarm2, que são braços robóticos multi DoF. Canadarm1, oficialmente reconhecido como Sistema de Manipulação Remota do Ônibus Espacial (SRMS), foi empregado para implantar, manobrar e transportar carga útil em orbitadores de ônibus espaciais. Também foi equipado com o Orbiter Boom Sensor System (OBSS) para avaliar os danos ao sistema de proteção térmica.

Canadarm-2 desempenha um papel vital na montagem e manutenção da ISS e apoia a ancoragem de espaçonaves e passeios espaciais por astronautas.

A Curiosity rover, que pousou no planeta Marte, usou um braço robótico para escolher e posicionar instrumentos e coletar amostras do terreno. Outro módulo de pouso de Marte chamado InSight possui um braço robótico chamado Instrument Deployment Arm (IDA), que tem cerca de 1.8 m de comprimento com cotovelo e punho para realizar funções como implantação de sonda de fluxo de calor profundamente no terreno. Ele também tem uma garra de cinco dedos e provisão para câmeras de montagem.

A missão da NASA de estudar asteróides e colher amostras usando a espaçonave OSIRIS-Rex, faz uso do braço robótico TAGSAM para coletar as amostras.

Para a segurança humana e para ajudar as forças armadas, armas robóticas exclusivas são feitas. O projeto do braço robótico pode sincronizar seu movimento com o do operador, que está à distância.

O Sistema Cirúrgico da Vinci aprovado pela FDA consiste em três a quatro braços robóticos interativos que fornecem assistência cirúrgica com uma abordagem minimamente invasiva.

Para saber sobre o braço robótico do Pick and Place, clique aqui.

Leia também:

• Escolher e colocar tipos de robôs usa benefícios
• Tipos de bases nitrogenadas no rna
• Tipos de emenda de DNA
• Tipos de mudança física
• Tipos de mudança química
• Tipos de replicação de DNA
• Tipos de emenda de rna
• Desafios dos tipos de robôs de síntese de fala
• Tipos de cromossomo
• Formação de definição de nebulosa e 4 tipos importantes