1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores.

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1 1 Robótica Introdução a Robótica Robôs Manipuladores

2 2 Histórico – A palavra robô, vem da palavra Tcheca “robota”, que significa trabalho árduo ou trabalho escravo. – Ela foi usada pela primeira vez em uma peça de ficção (RUR) do autor KAREL CAPEK, em 1920. – A palavra Robótica, foi citada pela primeira vez em uma história de ficção (Runaround) do autor Isaac Asimov, em 1942.

3 3 Histórico 1ªlei: "Um robô não pode ferir um ser humano ou, permanecendo passivo, deixar um ser humano exposto ao perigo". 2ª lei: "O robô deve obedecer às ordens dadas pelos seres humanos, exceto se tais ordens estiverem em contradição com a primeira lei". 3ª lei: "Um robô deve proteger sua existência na medida em que essa proteção não estiver em contradição com a primeira e a segunda leis". 0ª lei: " Um robô não pode causar mal à humanidade nem permitir que ela própria o faça". O grande escritor americano de ficção científica Isaac Asimov estabeleceu quatro leis muito simples para a robótica:

4 4 Histórico – Puma (1978) – Primeiro manipulador guiado por sensores que foi utilizado pela industria. Parceria entre: Universidade de Stanford Unimation GM – AGM (Automatic Guided Vehicles), foram os primeiros robôs móveis. Criados em 1954. Barret Eletronics Corporation

5 5 Historico 250 a.C. – Surge a clepsadra, ou relógio de água, na Grécia. Seu funcionamento se dava através de um sifão, utilizava a água, de forma reciclada, para medir o tempo. Idade média – Surgem os relógios de pêndulo. Séc. XVIII – Surgem os relógios de mola. Também houve a criação dos autômatos, os ancestrais dos robôs modernos. O autômato era uma complexa marionete mecânica que imitava a forma do corpo humano (ou de animais), possuindo braços, lábios e outras partes dirigíveis. Eles realizam atividades como escrita, desenho, tocar piano e até flauta. Inicia-se a Revolução Industrial na Inglaterra. Séc. XIX – Utilização dos autômatos em certas máquinas usando específicos processos industriais. Séc. XX – Para permitir que o autômato fosse flexível para ser aplicado eficientemente em industrialização, foi requerido o desenvolvimento de modernos computadores, controle com feedback dos atuadores, transmissão de potência das engrenagens e desenvolvimento de sensores. 1926 – Criação do primeiro movimento envolvendo robôs denominado Metropolis. 1948 – O neurofisiologista inglês W. Grey Walter construiu Elmer, uma tartaruga mecânica movida a luz solar e que se dirigia à sombra quando estava descarregada e ao sol quando estava sem energia. 1959 – Lançado o 1º robô industrial pela empresa americana Animation Incorporation. 1962 – A General Motors instalou o seu primeiro robô Unimation. 1969 – Foi construído pelo Standford Research Institute, o mais sofisticado robô móvel, este robô usava visão para controlar seus movimentos. Este robô foi chamado Shakey e foi dado a ele tarefas a serem executadas, tais como: reconhecer um objeto usando visão, achar o caminho para o objeto e outras ações sobre o objeto tal como como empurrá-lo. 1970 – O Lunokohod, um russo, pôde explorar a superfície da lua com um controle remoto daqui da terra. O primeiro robô o qual poderia ser programado para responder a uma informação de sensor externo sem uma intervenção humano direta foi construído em um laboratório de inteligência artificial para testar o reconhecimento. 1976 – É utilizado pela 1ª vez um braço mecânico para coletar amostras do solo marciano pela NASA. 1998 – Um pequeno robô denominado Sojourner, levado pela sonda Pathfinder, explora a superfície do planeta Marte, trazendo imagens do planeta para a Terra e realizando análises geológicas.

6 6 Tipos de Rôbos 1.Manipuladores: estão fisicamente ancorados (ou fixos) a seu local de trabalho Em uma linha de montagem industrial ou uma estação espacial. Robôs industriais, automóveis 1.Móveis: se deslocam por seu ambiente usando rodas, pernas ou mecanismos semelhantes Veículos aéreos não-tripulados (UAV – unmanned air vehicle) usados para vigilância e operações militares 1.Humanóides: híbrido, um robô móvel equipado com manipuladores cuja estrutura física imita o torso humano

7 7 Gerações dos Robôs 1.Primeira Geração: Realiza apenas movimentos pré-programados Retornam poucas informações sobre o ambiente Situações de abstruções Confirmação sobre os movimentos executados 1.Segunda Geração: Comunicação com o ambiente Sistema de sensoriamento e identificação

8 8 T-Rot Possui sensores que ajudam a manipular objetos delicados como ovos e cristais. Possui duas câmeras que são capazes de diferenciar rostos e objetos. Matem conversas simples. Entende e executa ordens.

9 9 COG Laboratório de Inteligência Artificial do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, na cidade de Cambridge, Estados Unidos. Objetivo: Ser capaz de Aprender com um comportamento equivalente a um recém- nascido. Recebe os ensinamentos de uma figura materna, uma mulher de verdade, sendo programado para reconhecê-la.

10 10 Gengis e Atila Gêngis e Átila são parte de um projeto do Laboratório de Inteligência Artificial do MIT, iniciado por Rodney Brooks no início da década passada, que tem como estratégia o desenvolvimento de robôs inteligentes.

11 11 Yamabico Universidade de Tsukuba –pesquisas sobre robôs móveis autônomos É parte de um projeto que não foi iniciado com a pretensão única de desenvolver o robô, mas também para servir como uma ferramenta que possibilitasse o estudo dos sensores, hardware, e software para robôs móveis

12 12 Humanoid Projeto iniciado em 1992 Capacidade de compreender, reconhecer, expressar em um sistema que permite que o robô e o ser humano possam construir um espaço mental e físico de forma cooperativa O Projeto foi dividido em quatro grupos:

13 13 Novos caminhos Suplantar a Humanidade? Complementar? - Psicologia e topologia cerebral. - Análise do Comportamento (behaviorismo). - Alternativas a criatividade. Continuidade da “raça” humana? - Limitações do corpo físico (tempo, mecânicas...) - “Feitos a sua imagem e semelhança.”

14 14 Ciclo de Vida Auto-Reprodução Utilização de técnicas de permutação (algoritmos genéticos) para melhoria controlada da espécie Rápida capacidade de Melhoria na Escala Evolutiva “Seriam robôs uma nova raça?”

15 15 Novas tecnologias Agentes móveis - Insetos que se misturam ao ecosistema. - Outras inserções nos meios de análise. Cotidiano (carros, casas, wearable computers) Nanorobots Realidade Virtual - Simulações e utilidades. - Robocode

16 16 Roboética Problemas - Substituição da Mão de Obra - O poder dos Super Robôs (capacidade mecânica e processamento/armazenamento) - Legislação para os “robobeams” - Ética para os robôs (reinserção das três/quatro leis e construção de IA’s através do paradigma da inferência) - Direitos das máquinas - “Você seria capaz de diferenciar um animal simples de um robô?”

17 17 Vida versus Máquina Animais Unicelulares (ameba, protomiticondria) Animais de Pequeno Porte (animais domésticos, de estimação, de guarda) Animais de Grande Porte (cavalos, animais utilitários) Nanorobôs Autômatos (reprodutivos ou não) ex.: Aybo, robots de estimação, alarmes inteligentes Carros robô (Robot Race, Carnegie Mellon RedTeam)

18 18 Robôs São agentes físicos que executam tarefas manipulando o mundo físico São equipados com efetuadores e sensores Efetuadores: meios pelos quais os robôs se movem exercendo forças físicas sobre o ambiente –Pernas, rodas, articulações e garras Sensores: interface perceptiva entre robôs e seu ambiente –Câmeras, ultra-som para medir o ambiente, giroscópios..

19 19 Robôs – Aspectos Gerais Sensores –Passivos => São observadores que captam sinais gerados por outras fontes no ambiente. Ex: Câmeras. –Ativos => Enviam energia ao ambiente contando que esta energia será refletida de volta ao sensor pra a transmitir algum tipo de informação como obstáculos, etc. Ex: Sonar A depender do tipo de informação que os sensores ativos e passivos captam, eles podem ser:  Sensor de sonar  Sensores táteis  Sensores de tratamento de imagens  Sensores proprioceptivos  Sensores inerciais  Sensores de força  Sensores de torque

20 20 Efetuadores Grau de liberdade (GDL)– conta-se um grau de liberdade para cada direção que o robô ou os efetuadores possam se mover. Articulações de revolução – geram movimentos de rotação. Articulação prismática – gera movimento de deslizamento. Tração diferencial – rodas ou esteiras acionadas independentemente, uma em cada lado. Tração sincronizada – cada roda pode se mover ou girar em torno de seu próprio eixo.

21 21 Arquitetura dos Robôs Arquiteturas de Software para robótica devem decidir como combinar controle reativo e controle deliberativo. Controle Reativo: é orientado para sensores e é apropriado para tomadas de decisões de baixo nível em tempo real. Controle Deliberativo: é mais apropriado para tomadas de decisões a nível global pois estas tomadas de decisões dependem de informações que não podem ser percebidas em tempo real. As arquiteturas que combinam técnicas reativas e deliberativas são chamadas de Arquiteturas Híbridas.

22 22 Tipos de Arquiteturas Arquitetura de Subsunção (Brooks, 1986) – é uma estrutura para montagem de controladores reativos a partir de máquinas de estados finitos. As máquinas de estados finitos que utilizam relógios internos para controlar o tempo de duração do percurso de um arco são conhecidas como MEFAs. S3S3 S4S4 S1S1 S2S2 Parali- sado? avançar não baixarerguer empurrar para trás sim retrair, levantar mais alto

23 23 Tipos de Arquitetura Arquitetura de Três Camadas – é uma arquitetura híbrida que consiste em uma camada reativa, uma camada executiva e outra camada deliberativa. –Camada reativa: fornece controle de baixo nível ao robô. –Camada executiva: serve como o fator de união entre a camada reativa e a deliberativa. –Camada deliberativa: gera soluções globais para tarefas complexas usando um planejamento.

24 24 Aplicações em Robótica Robótica Industrial –A área com os conceitos técnicos mais bem fundamentados e implementados em robôs. –Geralmente possuem a forma de um braço e são utilizados para tarefas mecânicas de montagem. –Classificados de acordo com o grau de liberdade de seu corpo

25 25 Aplicações em Robótica Robótica na Saúde –Cirurgias à distância, aplicação mais importante para robôs nesta área. Um cirurgião especialista pode realizar a cirurgia em um paciente que se encontra até mesmo em outro país. Robótica para Entretenimento –A tecnologia em serviço da diversão. Principal objetivo desses robôs é entreter. –Segmento da robótica que tem crescido muito, acelerando muito o desenvolvimento na área.

26 26 Robôs Manipuladores Braço e punho (arm-wrist) O braço é a parte do manipulador que está normalmente associada ao posicionamento (x, y, z) no espaço físico (operacional); O punho afeta essencialmente a orientação (θ,φ,ψ) da garra, pinça ou outros end-effectors (tools); Braço e punho são constituídos por partes rígidas, os elos (links), ligadas entre si pelas juntas (joints);

27 27 Robôs Manipuladores Partes principais: –Controladores; –Atuadores; –Sensores; Técnica: Vantagem da versatilidade pela programação (para vários níveis de especialização do operador) Humana: Tarefas pesadas ou desagradáveis para humanos são feitas por máquinas. Econômica: Um mesmo equipamento pode ter múltiplas funções e substituir vários equipamentos distintos.

28 28 Estrutura e Topologia - Manipuladores Componentes: –O braço –Controlador –A ponta da Ferramenta –Atuadores e Tipos de Atuação –Sensores mais usados Juntas –Arranjo cinemático –Graus de liberdade Espaço de trabalho Estruturas cinemáticas Resolução, Repetibilidade, Exatidão

29 29 Componentes Braço –Constituído por juntas e elos –Os elos ligados em seqüência (manipulador série – por oposição ao manipulador paralelo, que não será estudado nesta disciplina); Controlador: –Reúne a unidade de cálculo e programação, e as unidades de potência. Grandezas das juntas usualmente controladas –Posição –Velocidade –Força Algoritmos de controle –Proporcional –Proporcional + diferencial (PD) –Proporcional + integral (PI) –Proporcional + diferencial + integral (PID) –Outros...

30 30 Componentes Ponta da Ferramenta (end-effector) –Pode ser de dois tipos: Pressão mecânica (gripper) ferramenta (tool)

31 31 Componentes Além das garras do tipo pinça há ainda aquelas de funcionamento baseado em: –Vácuo –Magnetismo –Adesivos Outros tipos: – mãos antropomórficas Ferramentas: –Soldadura –Corte jacto de água –Furador, polidor, etc

32 32 Componentes: Atuadores Característica Tipos de atuadores ElétricosHidráulicosPneumáticos Controle Fácil. Possibilidade de ser elaborado. Hoje em dia mais fácil com as eletro servo-válvulas Muito difícil. Devido a questões de compressibilidade do ar VelocidadesGrandeMédia/GrandeMuito grande Torque a baixa velocidade (aceler.) Pequenos/MédiosGrande Pequenos Precisão (repetibilidade) Boa. Limitada pelo uso de transmissão Boa Má, exceto em operações a posições fixas. Funcionamento em situação estática Mau. Requer travões. Excelente. Trata-se de funcionamento normal. Bom. Não há risco de danificação do sistema. Questões ambientais Os arcos eléctricos podem ser indesejáveis. Perigo de fugas de óleo. Sistemas limpos. Poluição sonora de componentes, compressores e das fugas. Custos Relativamente baixos Altos Relativamente Baixos

33 33 Tipos de Atuação Direta –O elemento móvel do atuador é acoplado à junta diretamente Indireta –o elemento móvel do atuador é acoplado à junta mediante um sistema de transmissão –Os motores elétricos são normalmente usados em atuação indireta: Alta velocidade/Torque baixo. –São exceções os motores passo a passo, ou os chamados direct-drive motors, que têm uma concepção especial e permitem altos torques a baixa rotações

34 34 Sensores Sensores internos (estado do sistema) –Sensores de posição Potenciômetros, Codificadores (ópticos) –Sensores de velocidade –Sensores de força Sensores externos (percepção do ambiente) –De posição Réguas ópticas LVDT,... –Outros... (muitos outros!)

35 35 Sensores de posição Potenciômetros Indicam uma posição angular ou linear gerando uma resistência variável de acordo com o deslocamento

36 36 Sensores de posição - Codificador incremental Gera um impulso por cada incremento de um certo valor conhecido no deslocamento angular de um eixo

37 37 Sensores de posição - Codificador absoluto Neste sistema, a cada posição do disco corresponde uma leitura em código binário –Gera-se um padrão linear de bits (luz e ausência de luz) que incide num fotodetector

38 38 Sensores de posição angular – o “Resolver” Dispositivo que gera uma tensão elétrica senoidal proporcional (em amplitude ou fase) a um dado ângulo α que se quer avaliar. Sistema muito usado industrialmente e dos mais confiáveis atualmente disponíveis! Princípios –3 enrolamentos (solenóides) –dois deles em quadratura; o 3º com um certo ângulo α ou (90–α). –O 3º é excitado com uma tensão alternada. –Nos outros dois há tensões induzidas dependentes do ângulo

39 39 Sensores de posição linear - LVDT Linear Variable Differential Transformer - LVDT –Transformador diferencial variável linear (LVDT) –3 enrolamentos sendo o primário alimentado em tensão AC –Movimento do núcleo altera a relação de indução entre os diversos enrolamentos –vo = v1-v2 –Relação linear: vo(deslocamento) –Sistema muito preciso em pequenos deslocamentos –Adequado a ambiente industrial

40 40 Sensores para velocidade Normalmente, a velocidade que se mede é angular. Justifica-se dado a grande maioria dos sistemas assentar em unidades de rotação. –Taquímetro (Tacômetro) dispositivo que gera uma tensão elétrica proporcional à velocidade de rotação; acopla-se ao veio em rotação (apropriado para grandes velocidades angulares, i.e., de algumas a dezenas de rotações /s) –Giroscópios (ópticos) dispositivo que indica a velocidade angular; fica solidário com o sistema em rotação (apropriado para baixas velocidades angulares, i.e., menores que 100 º/s) –Outros Sistemas que, usando informação temporal de relógio, usam informação sensorial de posição e derivam a velocidade – caso dos codificadores incrementais.

41 41 Juntas simples Rotacional Prismática Mista –Rotacional + Prismática –Na maioria dos manipuladores, as juntas são normalmente divididas em dois grupos: Juntas principais (3 juntas mais próximas da base) Juntas secundárias ou juntas do punho (as restantes juntas, mais próximas do end- effector)

42 42 Outras juntas Esférica (socket and ball) –3 rotacionais Universal –2 rotacionais ortogonais

43 43 Arranjo cinemático Representação simbólica das juntas de um sistema robótico Ilustração de um caso RRPS, ou seja uma junta rotacional (R),seguida de outra rotacional (R), depois de uma prismática (P) e finalmente uma esférica (S)

44 44 Graus de liberdade – Deg. of freedom (DOF) Número total de movimentos independentes que um dispositivo pode efetuar. Um objeto livre no espaço pode deslocar-se em três direções e rodar em torno de três eixos – diz-se que tem 6 graus de liberdade Graus de mobilidade – é outra coisa: é igual ao número de juntas do sistema mas podem não ser iguais aos de liberdade (podem ser menos) Ex. Ponteiro telescópico – 3, 4,... graus de mobilidade mas só um grau de liberdade Ex. Tripé de fotografia – 9 juntas (9 graus de mobilidade), mas só 3 graus de liberdade

45 45 Exemplo de graus de liberdade Para mudar esta peça e rodá- la são necessários 4 graus de liberdade apenas (x,y,z, uma orientação). (NB: o manipulador ilustrado não tem a possibilidade de o fazer para todas as orientações possíveis); Para colocar esta peça no encaixe (que pode ter uma orientação arbitrária) são necessário 6 graus de liberdade: 3 para as posições x,y,z e 3 para as 3 orientações do encaixe. (o manipulador ilustrado não o permite fazer);

46 46 Graus de liberdade do braço humano

47 47 Espaço de trabalho de um manipulador Espaço ou volume de trabalho é a região dentro da qual o manipulador pode posicionar o end-effector O espaço de trabalho está relacionado com a chamada estrutura cinemática de manipuladores que é dada pela configuração das juntas primárias (as três primeiras): –Cartesiana (PPP) –Cilíndrica (RPP) –Esférica (RRR) –Articulado Horizontal ou SCARA (RRP) –Articulado vertical ou antropomórfico (RRR)

48 48 Estruturas cinemáticas - PPP Também chamada Cartesiana

49 49 Estruturas cinemáticas - RPP Cilíndrica

50 50 Estruturas cinemáticas – RRP Esférica

51 51 Estruturas cinemáticas – (SCARA) RRP Articulado horizontal (SCARA – Selective Compliance Assembly Robot Arm)

52 52 Estruturas cinemáticas – RRR Articulado vertical ou antropomórfico

53 53 Comparação de volumes de trabalho Admitindo todas as prismáticas varrendo L, e A=L, e as rotacionais 360º virá: Conclusão: o espaço de trabalho aumenta com o número de juntas rotacionais

54 54 Resolução, Repetibilidade, Exatidão Resolução: –o menor movimento incremental de uma junta; Repetibilidade (ou, por vezes, precisão): –traduz a diferença de posição (linear em geral) com que o robot volta a recolocar-se num ponto visitado anteriormente (afetado por variabilidade de comportamento mecânico, materiais, etc.) Exatidão –Traduz a diferença entre uma posição realmente atingida e a posição desejada pela programação. (Afetado pela eficácia do controlador que pode ser afetado pelo payload, região do espaço de trabalho, etc.)

55 55 Ilustração de repetibilidade e exatidão Tiro ao alvo