Robo Manipulador Paralelo
Robo Manipulador Paralelo
Robo Manipulador Paralelo
Victor Kumazawa*
victor.kumazawa@poli.usp.br
Palavras-chave: Robôs pega-e-põe, cadeias paralelas, cinemática inversa, Linux CNC – EMC2, simulação
gráfica em Matlab.
Resumo
1
1. Introdução
- O robô H4, desenvolvido por Pierrot
A grande maioria dos robôs industriais hoje (1998). Possui uma arquitetura similar ao do
disponíveis comercialmente é baseada em Delta, mas emprega membros topologicamente
estruturas cinemáticas seriais, isto é, seus simétricos.
atuadores e partes móveis são montados
serialmente, um após o outro, o que resulta em - O robô Universal Cartesiano, (Kim e
apenas uma cadeia cinemática (em laço aberto) Tsai, 2002), o Tripteron (Gosselin, 2004) e o
para mover o elemento manipulador do robô 3PCC (Di Gregorio and Parenti-Castelli, 2004).
(garra, solda, etc.). Esse três últimos são representantes de uma
Durante a última década, porém, ambas as arquitetura mais recente que apresenta a
comunidades acadêmicas e industriais têm conveniência de tornar linear e desacoplados os
demonstrado interesse na pesquisa de uso de conjuntos de equações de posição tanto
outro tipo de estrutura cinemática, conhecida para a cinemática direta quanto para a inversa.
como paralela, a qual é caracterizada por
múltiplos elementos independentes (cadeias
cinemáticas) atuando em paralelo, com ponto de
conexão em comum com o elemento
manipulador final do robô.
Essa arquitetura não convencional se mostra
atrativa em virtude de uma série de vantagens
que apresenta em relação à arquitetura
tradicional serial. Dentre elas: rigidez mais
elevada, menor peso, respostas mais rápidas,
maior precisão e maior capacidade de
carregamento.
Diversos tipos de estruturas paralelas foram Figura 3 – Robô Universal Cartesiano
2
certa velocidade). De posse de todos esses 3. Ferramentas
dados, já é possível o início do projeto
detalhado de cada parte da estrutura. Para a execução das etapas descritas na
A implementação do acionamento da estrutura, metodologia do projeto, são utilizados 4
parte cujo enfoque é dado neste projeto, visa softwares: 2 para a etapa de projeto e construção
garantir que a mesma se movimente com um mecânica, e 2 para
desempenho mais próximo possível daquele a implementação
concebido em projeto. Isso envolve a escolha do acionamento.
apropriada dos motores e drivers (que forneçam A construção
a potência necessária), a programação correta da mecânica se
movimentação dos mesmos (controle de utiliza ,
posicionamento e velocidade) e a escolha do primeiramente, do
software de controle (que possua boa software CAD 3D
estabilidade e, principalmente, que possa da SolidWorks®
trabalhar adequadamente em tempo-real). para criação do
modelo virtual Figura 4 – Simulação da estrutura virtual (vista frontal)
2.1 Cálculos Cinemáticos da estrutura,
caracterizando todos os parâmetros da mesma
Uma procedimento muito importante, dentro da (dimensões, massa, rigidez, etc). Em seguida,
etapa de implementação do acionamento da simulações de movimentação do modelo virtual
estrutura, é o equacionamento da mesma. Num criado são executadas através do programa
método denominado de “cinemática inversa”, MSC Nastran,
pode-se determinar as posições dos atuadores que é capaz de
(motores de passo, no caso) em função da analisar os
localização do efetuador. De posse destas deslocamentos
equações, dada uma posição de destino para o das partes
efetuador, o software de acionamento tem a criadas em
capacidade de comandar um número especifico CAD.
de rotações para os motores de modo que a Seguem, neste
posição final do efetuador seja aquela item, algumas
especificada. A teoria por trás desse imagens
equacionamento engloba basicamente (figuras 5 e 6)
transformações de coordenadas (transformações do modelo
homogêneas) através da manipulação de virtual sendo Figura 5 – Simulação da estrutura virtual (vista isométrica)
matrizes. Segue abaixo uma imagem do ensaiado através do software Nastran.
equacionamento escrito a mão feito para a Para a implementação do acionamento
estrutura em questão: da estrutura, tem-se como opção de software de
controle o programa EMC2, do projeto LINUX
CNC (www.linuxcnc.org). Este software
permite a criação e simulação de modelos
virtuais de máquinas CNC e robôs industriais, e
o acionamento dos drivers de uma estrutura real
via porta paralela do PC. Assim, passados os
parâmetros físicos da estrutura (equações de
cinemática inversa, controle de velocidades) e
as especificações dos drivers e motores que
equipam a mesma (modelo, tipo), é possível a
programação do seu movimento via linhas de
código G na interface de EMC2, como ocorre
numa máquina CNC convencional.
4. Validação da Metodologia
3
da estrutura de arquivos do EMC2. Utilizando o estrutura virtual. O software EMC2 permite a
programa MatLab como software de apoio, o programação da movimentação, mas não
que se fez foi os cálculos da cinemática inversa permite a visualização qualitativa da estrutura se
fora do programa EMC2. Dessa forma, as movimentando. Em contrapartida, o Nastran
equações puderam ser abordadas de uma forma permite uma visualização excelente dos
mais amigável, pelo fato de estarem sendo deslocamentos, mas impede que os mesmos
programadas num ambiente mais familiar. sejam programados iterativamente.
O procedimento requer, entretanto, que Assim, foram criados, além do tradutor
se transfira posteriormente a informação a de códigos G, modelos gráficos em MatLab®
respeito da cinemática calculada em MatLab (simplificados) que podem ser “movimentados”
para o programa de acionamento EMC2. E a repetidas vezes sem necessidade de
maneira desenvolvida para a execução de tal reprogramação e compilação. Esse
tarefa é a “tradução” do código G original, procedimento é muito útil para validar as
escrito para definir a movimentação do robô equações da cinemática da máquina, e para
paralelo, em um outro código também em identificar possíveis pontos de singularidade e
linguagem G, só que feito para descrever a inacessibilidade (fim-de-curso), dado que os
movimentação de uma máquina cartesiana de mesmos podem não ser tão facilmente previstos
eixos desacoplados. numa máquina de arquitetura paralela . Seguem
As etapas transcorrem da seguinte algumas imagens da análise feita em MatLab®
forma: primeiramente, o programa escrito em para posições (x,y) especificadas:
MatLab para o cálculo da cinemática inversa
abre o arquivo texto contendo o código G
original. Em seguida, é efetuada a leitura linha a
linha do arquivo e as trajetórias (em mm) são
extraídas, sendo
calculada a
cinemática
inversa para os
pontos inicial,
final e
intermediários de
cada trajetória.
Tem-se assim
uma matriz
contendo as
posições dos Figura 6 – Simulação gráfica em MatLab (na posição inicial)
atuadores em
função da posição
do efetuador. Por
fim, o novo
código G é
escrito pelo programa e salvo num outro arquivo
texto, só que contendo as posições dos motores
em X, Y e Z, calculadas pela função de
cinemática inversa. A idéia é que esse novo
código G seja interpretado pelo programa
EMC2 como sendo escrito para acionar uma
máquina linear, de eixos desacoplados, onde o
valor escrito para a coordenada X, por exemplo,
corresponde diretamente a movimentação de um
único atuador. Entretanto, o efeito final
produzido pela execução do código completo
será a movimentação de um robô com uma
estrutura paralela.
Além de realizar os cálculos Figura 7 – Simulação gráfica em MatLab (em x=-3; y=-8)
4
6. Referências Bibliográficas
5
Abstract. In the past recent years, parallel kinematic structures have attracted a lot of attention from
academic and industrial communities due to their potential applications not only as robot manipulators
but also as machine tools. In general, they demonstrate higher performance than serial mechanisms, once
parallel mechanisms are much more rigid, accurate and have higher load capacity and, therefore, can be
lighter. This work introduces a new family of 3-dof parallel robot manipulator for pick -and-place
operations.