Como os robôs industriais dominam a precisão e a versatilidade? Neste artigo, exploramos os intrincados componentes e mecanismos dessas maravilhas da engenharia. Desde os potentes manipuladores até os sofisticados sistemas de acionamento, descubra como os robôs executam tarefas complexas com uma precisão notável. Você aprenderá sobre a estrutura dos braços robóticos, a funcionalidade das diferentes articulações e as tecnologias por trás de seus movimentos. Mergulhe de cabeça para entender a engenharia por trás dessas ferramentas indispensáveis da manufatura moderna.
Os sistemas de robôs industriais geralmente consistem em quatro partes: o manipulador (corpo), o ambiente, as tarefas e o controlador, conforme mostrado na Figura 1.
O ambiente refere-se ao ambiente de trabalho do robô, incluindo o objeto de trabalho e alguns obstáculos. O robô deve evitar a interferência com esses objetos durante seu movimento.
A tarefa refere-se ao trabalho que o robô precisa realizar, como soldagem, pintura, manuseio etc. Normalmente, ela pode ser definida como a diferença entre dois estados do ambiente e precisa ser descrita e armazenada no controlador do robô com a linguagem ou os programas apropriados.
O controlador é usado para receber informações detectadas por sensores internos e externos do robô, processá-las e gerar sinais de controle de acordo com um determinado programa de controle, acionando as várias articulações do corpo do robô e, assim, concluindo a tarefa determinada. O corpo do robô é o mecanismo mecânico que executa a tarefa, consistindo em um conjunto de mecanismos de movimento interconectados, incluindo braços, articulações e efetores finais.
Na prática da engenharia, o corpo do robô também é conhecido como manipulador, braço robótico, mão mecânica, etc. A maioria dos corpos de robôs são estruturas mecânicas articuladas com vários graus de liberdade. Robôs de soldagem geralmente têm 6 graus de liberdade, 3 dos quais guiam a ferramenta final para a posição necessária, e os outros 3 são usados para controlar a postura da ferramenta.
Em um sentido amplo, os mecanismos de robôs podem ser considerados, em geral, como um tipo de haste A estrutura do corpo de um robô de soldagem inclui peças como braços, pulsos, garras e mecanismos de locomoção. No caso dos robôs de soldagem, sua estrutura corporal inclui principalmente as partes do braço e do pulso.
Para um corpo rígido livre, ele tem 6 graus de liberdade no espaço tridimensional, conforme mostrado na Figura 2. Para concluir qualquer operação espacial, o robô também precisa de 6 graus de liberdade.
O movimento do robô é uma combinação dos movimentos do braço e do pulso. Normalmente, a parte do braço tem 3 articulações, que são usadas para alterar a posição do ponto de referência do pulso, chamado de mecanismo de posicionamento; a parte do pulso também tem 3 articulações, normalmente esses 3 eixos articulares se cruzam, usados para alterar a postura da ferramenta final, chamada de mecanismo de orientação. Portanto, o robô inteiro pode ser visto como o mecanismo de posicionamento conectado ao mecanismo de orientação.
O braço do robô é a parte que executa diretamente a operação, e sua estrutura afetará muito a capacidade do robô. Em termos gerais, o braço é composto de hastes e articulações (pares cinemáticos) que as conectam. Uma articulação tem um ou vários graus de liberdade.
O chamado grau de liberdade é um indicador da flexibilidade do movimento do robô, ou seja, o número de movimentos individuais independentes. Os graus de liberdade que podem produzir movimento ativo pelo atuador são chamados de graus de liberdade ativos, e aqueles que não podem produzir força motriz são chamados de graus de liberdade passivos. A Tabela 1 mostra os símbolos e as direções de movimento das articulações representativas de grau de liberdade único.
Tabela 1 Juntas de grau único de liberdade
| Nome | Símbolo | Exemplo |
| Tradução |  |  |
| Rotação |  |  |
| Rotação ① |  |  |
| Rotação ② |  |
Os métodos de construção de membros e articulações podem ser divididos em dois tipos. Do ponto de vista geral do braço, os membros e as articulações que o compõem são conectados em série, conhecidos como robôs de membros em série ou robôs de cadeia aberta, enquanto os conectados em paralelo são chamados de robôs de membros paralelos ou robôs de cadeia fechada. Na Figura 3, são apresentados exemplos dos graus de liberdade das mãos robóticas com membros em série e em paralelo. De fato, a maioria das mãos robóticas é do tipo membro em série.
a) Tipo de membro serial
b) Tipo de membro paralelo
O método de construção de graus de liberdade afeta muito a amplitude de movimento e a operabilidade do robô, entre outros desempenhos. Por exemplo, uma junta esférica é uma junta de três graus de liberdade que pode se mover em qualquer direção, o que pode facilmente determinar uma postura adequada para a tarefa. No entanto, devido às limitações do atuador, é difícil realizar totalmente essa função. Portanto, os robôs geralmente conectam três mecanismos de um grau de liberdade em série para obter esses três graus de liberdade.
Usando essa série método de conexãoMesmo com os mesmos três graus de liberdade, há muitas combinações diferentes de graus de liberdade, cada uma com funções diferentes.
Por exemplo, há muitos métodos de construção específicos para um mecanismo de pulso com 3 graus de liberdade. Considerando as condições de ter graus de liberdade de translação e rotação nos eixos x, y e z, se não houver deslocamento entre os links adjacentes e os eixos das juntas adjacentes forem perpendiculares ou paralelos entre si, há um total de 63 tipos. Além disso, com a inclusão de três graus de rotação, um braço de 6 graus de liberdade tem até 909 maneiras de construir graus de liberdade.
Portanto, é necessário determinar a maneira eficaz de construir graus de liberdade com base em critérios como os requisitos da operação de destino.
O principal objetivo do braço é se posicionar no espaço tridimensional, para o qual, como mencionado anteriormente, são necessários três graus de liberdade. Se considerarmos a combinação dos graus de liberdade translacional, rotacional e rotacional, há um total de 27 maneiras de construir graus de liberdade. No entanto, com base em sua forma de movimento, as formas representativas de construção de graus de liberdade podem ser divididas nos quatro tipos a seguir:
O robô do tipo de coordenadas cilíndricas, visto na Figura 4, é composto por uma combinação de uma rotação e duas translações; o robô do tipo de coordenadas esféricas, visto na Figura 5, é formado por uma combinação de rotação, rotação e translações.
Esses dois tipos de robôs, com um grau de liberdade rotacional central, têm uma grande variedade de movimentos e seus cálculos de coordenadas são relativamente simples. O primeiro robô prático do mundo robôs industriaisO "Versatran" e o "Unimate" adotaram mecanismos de coordenadas cilíndricas e esféricas, respectivamente.
O robô do tipo de coordenadas cartesianas (visto na Figura 6) tem graus de liberdade que são independentes ao longo dos eixos x, y e z, com uma estrutura simples, alta precisão e cálculo e controle de coordenadas extremamente simples. Entretanto, sua amplitude de movimento não é grande, o que dificulta a realização de ações em alta velocidade.
O robô articulado é composto principalmente de graus de liberdade rotacionais e rotacionais, que podem ser vistos como uma estrutura que imita um braço humano, com uma estrutura de articulação de ligação que tem uma articulação de cotovelo. Nesse caso, a parte do cotovelo até o ombro é chamada de braço, e a parte do cotovelo até o pulso é chamada de antebraço. Essa estrutura é mais eficaz para determinar qualquer posição e postura no espaço tridimensional. Ela tem boa adaptabilidade a várias tarefas, mas sua desvantagem é que o cálculo e o controle de coordenadas são relativamente complexos e é difícil obter alta precisão.
O robô articulado, com base em seu método de construção de graus de liberdade, pode ser dividido em várias categorias.
A Figura 7 é um braço geral, que adota uma estrutura de rotação, rotação e graus de liberdade de rotação. O braço da Figura 8 usa um link de paralelogramo e monta o atuador usado para o acionamento da articulação na base do braço.
A Figura 9 é chamada de robô SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), e a estrutura frontal do braço adota graus de liberdade que podem se mover arbitrariamente em um plano bidimensional, de modo que ele tem as características de alta rigidez na direção vertical e baixa rigidez (conformidade) na direção horizontal.
No entanto, na operação real, não é principalmente por causa dessa propriedade especial de conformidade que ele possui, mas porque pode realizar ações de forma mais simples em um plano bidimensional, por isso é amplamente utilizado em operações de montagem.
O pulso do robô é a parte de conexão entre o braço e a ferramenta final, usada para alterar a posição e a orientação da ferramenta no espaço. A estrutura do pulso é geralmente complexa, afetando diretamente a destreza do robô. O pulso mais comum consiste em dois ou três eixos de articulação mutuamente perpendiculares, sendo que a primeira articulação do pulso é a quarta articulação do robô.
A Figura 10 é um pulso esférico Pitch-Roll simples. Três engrenagens cônicas A, B e C formam um mecanismo diferencial, com as engrenagens A e B conectadas a dois motores de acionamento por meio de transmissão por corrente ou correia, usando a diferença de velocidade e a direção de rotação das engrenagens A e B para sintetizar a direção e a velocidade de rotação da ferramenta.
A Figura 11 mostra um diagrama esquemático e de transmissão de um pulso de 3 graus de liberdade, com três eixos perpendiculares entre si e que se cruzam em um ponto. Teoricamente, esse pulso pode atingir qualquer postura, mas devido a limitações estruturais nos ângulos das articulações, ele não pode atingir nenhuma postura. Esse tipo de pulso é a forma mais comum em robôs.
a) Diagrama esquemático
b) Diagrama de transmissão
Os principais acionamentos dos robôs são divididos em acionamento hidráulico, acionamento pneumático e acionamento elétrico, etc.
A principal vantagem do acionamento hidráulico é a alta potência, a estrutura simples, a eliminação da engrenagem de redução, a conexão direta com a haste acionada e a resposta rápida. O servoacionamento hidráulico tem alta precisão, mas requer uma fonte hidráulica adicional e é propenso a vazamento de líquido, portanto, o acionamento hidráulico é usado principalmente em sistemas de robôs de potência muito alta.
Os atuadores pneumáticos têm fontes de energia e estruturas simples, mas, em comparação com os atuadores hidráulicos, têm menor potência sob as mesmas condições de volume (devido à pressão mais baixa) e sua velocidade não é fácil de controlar, por isso são usados principalmente em sistemas de controle de ponto de baixa precisão.
Os atuadores elétricos são os mais usados atualmente. Eles têm fontes de energia simples, uma ampla gama de mudanças de velocidade, alta eficiência e alta precisão de velocidade e posição, mas geralmente são conectados a engrenagens de redução, o que dificulta o acionamento direto. Os atuadores elétricos podem ser divididos em DC, acionamento de servomotor AC e acionamento de motor de passo.
O último é principalmente o controle de loop aberto, controle simples, mas não de alta potência, usado principalmente em sistemas de robôs de baixa precisão e baixa potência. Os servomotores CC têm muitas vantagens, mas suas escovas são propensas ao desgaste e podem facilmente formar faíscas. Com o progresso tecnológico, os servomotores CA vêm substituindo gradualmente os servomotores CC como os principais atuadores em robôs nos últimos anos.
Os servomotores CC têm inércia rotacional pequena, resposta rápida de partida e parada, uma ampla gama de mudanças de velocidade, alta eficiência e alta precisão de controle de velocidade e posição.
Os servomotores CC têm muitas vantagens e uma alta relação custo-benefício, sendo sempre o motor padrão para plataformas de robôs. Entretanto, suas escovas são propensas ao desgaste e podem facilmente formar faíscas. Assim, foram desenvolvidos motores sem escovas, usando circuitos Hall para a comutação.
A Figura 12 mostra um servomotor CC e um amplificador de acionamento.
Os servomotores CA têm maior potência do que os servomotores CC, não precisam de escovas, têm alta eficiência e são fáceis de manter, sendo os mais usados em robôs industriais. A Figura 13 mostra um servomotor CA e um amplificador de acionamento.
Os principais parâmetros técnicos dos servomotores CA são semelhantes aos dos servomotores CC.
Os motores de passo são um tipo de motor sem escovas, com ímãs montados no rotor e enrolamentos montados na carcaça. Os motores de passo são essencialmente motores de baixa velocidade, fáceis de controlar, capazes de realizar movimentos precisos, com uma velocidade operacional ideal de 50~100r/min. A Figura 14 mostra um motor de passo e um driver.
Os acionamentos de motor de passo são, em sua maioria, de controle de malha aberta, simples de controlar, mas não potentes, com bons efeitos de frenagem, mas podem apresentar perda de passo em velocidades muito baixas ou sob cargas pesadas, geralmente usados em sistemas robóticos de baixa precisão e baixa potência.
Há dois tipos de métodos de acionamento de articulação: acionamento direto e acionamento indireto. O método de acionamento direto conecta diretamente o eixo de saída do acionador ao eixo da articulação do braço do robô. O método de acionamento indireto transmite a força do acionador para a junta por meio de um redutor ou aço cabo de açocorreia, articulação paralela, etc.
A vantagem do acionamento direto é que há menos sistemas mecânicos entre o acionador e a articulação, o que reduz o impacto de fatores não lineares, como o atrito, resultando em melhor desempenho de controle. No entanto, por outro lado, para acionar diretamente a articulação do braço, o torque de saída do acionador deve ser muito grande e, além disso, a dinâmica do braço deve ser considerada.
O motor de torque desenvolvido na década de 1980, cujo sistema mecânico consiste principalmente de rolamentos, pode alcançar excelente capacidade de acionamento reverso (acionando o eixo de saída do acionador do lado da junta). A Figura 15 apresenta um exemplo de uma estrutura de articulação que usa um motor de torque para acionamento direto. Os robôs que usam esses métodos de acionamento direto são geralmente chamados de robôs de acionamento direto (robôs DD).
A maioria das juntas de robôs é acionada indiretamente. Para esse tipo de acionamento indireto, o torque de saída do acionador geralmente é significativamente menor do que o torque necessário para acionar a junta, portanto, é necessário usar um redutor.
Além disso, como o braço geralmente adota uma estrutura de viga cantilever, a posição de instalação do acionador que aciona a junta do robô com vários graus de liberdade aumentará a carga no acionador da junta raiz do braço. A solução para esse problema geralmente pode ser obtida com os seguintes mecanismos de acionamento simples.
Esse método também coloca o motorista longe da junta, como um dos meios de direção remota. As correntes e as correias de aço têm boa rigidez e podem transmitir grande torque, sendo frequentemente usadas em robôs do tipo SCARA. O método de acionamento por correia dentada é mostrado na Figura 16.
A característica desse método é que ele pode instalar o driver na base do braço, e essa estrutura torna o cálculo da transformação de coordenadas extremamente simples. Um exemplo é mostrado na Figura 17.
Como mencionado anteriormente, no processo de acionamento de juntas de robôs com motores elétricos, considerando o torque de acionamento e a precisão do controle, geralmente é necessário um mecanismo de redução. Os mecanismos de redução comuns usados em robôs incluem redutores harmônicos e redutores de roda dentada cicloidal RV, e a transmissão helicoidal também é usada na transmissão linear de alguns robôs.
O redutor de acionamento harmônico inclui três componentes básicos: gerador de ondas, flexspline e spline circular, conforme mostrado na Figura 18. Qualquer um dos três componentes pode ser fixo, sendo que os outros dois são ativos e passivos, que podem obter redução ou aceleração, ou ser usados como duas entradas e uma saída, formando uma transmissão diferencial. A Figura 19 mostra uma estrutura esquemática do redutor de acionamento harmônico.
O princípio de funcionamento do redutor de acionamento harmônico é mostrado na Figura 20. Quando o spline circular está fixo, o gerador de ondas está ativo e o flexspline está passivo, o flexspline se deforma sob a ação do gerador de ondas elípticas, com os dentes do flexspline em ambas as extremidades do eixo principal do gerador de ondas totalmente engrenados com os dentes do spline circular.
Em ambas as extremidades do eixo menor do gerador de ondas, os dentes do flexoplano se desprendem completamente dos dentes do spline circular; nos lados do eixo maior elíptico, os dentes do flexoplano e os dentes do spline circular estão em um estado de malha parcial. No lado da rotação do eixo principal na direção positiva, ela é chamada de zona de malha; no lado da rotação do eixo principal na direção oposta, ela é chamada de zona de desengate.
Devido à rotação contínua do gerador de ondas, os quatro estados de engrenamento, engate total, desengate e desengate total mudam em sequência, alternando continuamente. Como o flexspline tem alguns dentes a menos (geralmente 2 ou 4) do que o spline circular, quando o gerador de ondas gira uma volta, o flexspline faz um ângulo de alguns dentes na direção oposta, obtendo assim uma grande taxa de redução.
a)0°
b)90°
c)180°
d)360°
Em comparação com a transmissão de engrenagem geral, o acionamento harmônico tem as seguintes características principais:
Como muitos dentes são engatados na transmissão ao mesmo tempo, a transmissão é suave e a capacidade de carga é alta. Sob as mesmas condições de trabalho, o volume pode ser reduzido em 20%～50%.
Se os parâmetros de malha forem selecionados corretamente, a velocidade de deslizamento relativa das superfícies dos dentes será muito baixa, resultando em desgaste mínimo e alta eficiência. Quando a estrutura é razoável e a lubrificação é boa, para uma transmissão com i=100, a eficiência η pode chegar a 0,85; para uma transmissão com i=75, a eficiência η pode chegar a 0,92.
Com a mesma precisão de fabricação, a precisão do acionamento harmônico pode ser um nível mais alto do que a da transmissão de engrenagem comum. Se as superfícies dos dentes forem bem retificadas, a precisão da transmissão harmônica acionamento por engrenagem pode ser quatro vezes maior do que o da transmissão de engrenagem comum.
A folga do acionamento harmônico de precisão geralmente pode ser inferior a 3′~1′, e até mesmo a transmissão sem folga pode ser obtida.
Ao usar uma transmissão fixa flexspline do tipo copo longo, o movimento pode ser transmitido para uma caixa selada, o que é difícil de conseguir com outros mecanismos de transmissão.
Com base nas características acima dos redutores harmônicos, eles são amplamente utilizados na transmissão de juntas de robôs, muitas vezes servindo como dispositivo de desaceleração e transmissão para juntas de pulso de robôs.
O dispositivo de transmissão de cata-vento cicloidal RV é composto por um conjunto de engrenagens planetárias de estágio único seguido por um redutor de cata-vento cicloidal de estágio único, conforme mostrado na Figura 21.
Ele tem um eixo de entrada que aciona de 2 a 3 engrenagens planetárias distribuídas ao redor da circunferência por meio da engrenagem no eixo. Cada engrenagem planetária é conectada a um eixo excêntrico bidirecional, que, por sua vez, aciona duas engrenagens cicloidais RV radialmente opostas para rolar sobre a carcaça fixa com dentes internos. Em seguida, as rodas cicloidais acionam o eixo de saída do disco para girar por meio de 2 a 3 eixos de pinos não cilíndricos distribuídos ao redor da circunferência.
Em comparação com o acionamento harmônico, o acionamento por cata-vento cicloidal RV, além de ter as mesmas características de alta taxa de velocidade, transmissão coaxial, estrutura compacta e alta eficiência, sua característica mais significativa é a boa rigidez e a pequena inércia rotacional.
Em comparação com os dispositivos de acionamento harmônico produzidos no Japão e usados em robôs, sob as mesmas condições de torque de saída, velocidade e taxa de redução, o volume de ambos é quase igual, mas a rigidez da transmissão do último é de 2 a 6 vezes maior. Convertida para o eixo de entrada, a inércia rotacional é mais do que uma ordem de magnitude menor, mas o peso aumentou de 1 a 3 vezes.
A razão para o grande peso total e a inércia rotacional do torque do volante do eixo de entrada particularmente pequena é que o dispositivo de transmissão RV adiciona um estágio de transmissão planetária, permitindo que o eixo de entrada e as engrenagens sejam transformados em um cilindro não muito grande, enquanto as peças rotativas atrás, embora muito pesadas, têm sua inércia rotacional convertida para o eixo de entrada e se tornam muito pequenas após um estágio de redução.
Devido à alta rigidez, à pequena inércia rotacional e ao peso relativamente grande, esse redutor é especialmente adequado para o primeiro estágio da junta de rotação (junta da cintura) dos robôs, em que o grande peso próprio está localizado na base, e a alta rigidez e a pequena inércia rotacional desempenham plenamente seus papéis.
A alta rigidez pode aumentar significativamente a frequência natural de toda a máquina, reduzindo a vibração; a pequena inércia rotacional pode melhorar a velocidade de resposta e reduzir o consumo de energia durante acelerações e desacelerações frequentes. A Figura 22 mostra uma imagem real do redutor RV.
A transmissão helicoidal por rolamento pode realizar a conversão entre movimento rotativo e movimento linear. Sua estrutura envolve a colocação de esferas apropriadas entre o parafuso com ranhuras helicoidais e a porca, alterando o atrito de deslizamento entre o parafuso e a porca para atrito de rolamento, um tipo de transmissão helicoidal, conforme mostrado na Figura 23. O parafuso 1 e a porca 3 têm ranhuras helicoidais com superfícies em forma de arco, e a montagem deles forma uma pista helicoidal, com a esfera 4 girando e rolando nela.
1 parafuso
2-Raceway
3 porcas
Bola 4
O canal de retorno de esferas tem circulação interna e externa. A estrutura de circulação interna é mostrada na Figura 24, onde as esferas no modo de circulação interna sempre permanecem em contato com a superfície do parafuso. Nas duas pistas adjacentes, são instalados defletores. Quando o parafuso gira, as esferas começam a se mover a partir da saída do defletor, movem-se por um ciclo e, em seguida, entram no defletor, formando um loop de circulação.
1-chave
2,3-Chave defletora
Geralmente, 2 a 4 reversores são instalados na mesma porca e são distribuídos uniformemente ao longo da circunferência da porca. Na estrutura de circulação interna, o circuito de circulação de esferas é curto, suave e eficiente, e o tamanho radial da porca também é menor, mas os requisitos de precisão de fabricação são altos.
A estrutura da circulação externa da esfera é mostrada na Figura 25. Para o tipo de ranhura helicoidal, quando o parafuso gira, a esfera se move a partir do ponto inicial e, quando chega ao ponto final, o bloqueador de esferas bloqueia a esfera na ranhura helicoidal dentro do suporte da porca, e a ranhura helicoidal leva ao ponto inicial, formando um loop de circulação.
a) Tipo de ranhura helicoidal
1-Manga
2-Porca
Bola 3
Bloqueador de 4 bolas
5 parafusos
b) Tipo de inserção do tubo
1-Tubo dobrado
2-Placa de pressão
3 parafusos
Bola 4
5-Raceway
Para o tipo de inserção de tubo, quando o parafuso gira, a esfera começa a se mover e pode circular por qualquer pista entre dois tubos curvados, com o tubo curvado dentro do suporte da porca, sem instalar tubos curvados na pista de circulação já existente.
Para eliminar a folga, a porca é dividida em duas seções, e a posição axial relativa das duas seções da porca é ajustada com calços, porcas duplas ou diferença de dentes para eliminar a folga e aplicar pré-carga, de modo que a folga possa ser zero sob a carga de extração nominal.
A Figura 26 mostra o ajuste da folga e da pré-carga, entre os quais o tipo de porca dupla é o mais usado, e o tipo de diferença de dente é o mais confiável. A transmissão helicoidal de rolamento tem mais medo de cair em poeira, limalha de ferro e grãos de areia. Normalmente, as duas extremidades da porca devem ser vedadas, e a parte exposta do parafuso deve ser vedada com uma cobertura de "fole" ou um envoltório de fita de aço.
a) Tipo de calço
b) Tipo de porca dupla
c) Tipo de diferença de dente
A condição de trabalho do par helicoidal de rolamento é semelhante à dos rolamentos, portanto, sua capacidade de carga também é expressa em termos de carga dinâmica nominal e carga estática nominal, sendo que a definição, o cálculo e o método de seleção são basicamente os mesmos dos rolamentos.
As especificações de tamanho do par helicoidal de rolamento são geralmente determinadas pela carga dinâmica nominal ou pela carga estática nominal. Para parafusos de laminação finos que suportam cargas compressivas, é necessário verificar a estabilidade da haste de compressão; para parafusos de laminação com alta velocidade e grande distância de suporte, é necessário calcular a velocidade crítica.
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