Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Profs. Drs. José António Tenreiro Machado e Martins de Carvalho

Tese de mestrado. Science. Cranfield Institute of Technology. 1988

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015 / Made available in DSpace on 2016-02-23T04:04:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336487.pdf: 4313794 bytes, checksum: 51817d3357ac3db9f005cb0c040c4678 (MD5) Previous issue date: 2015 / O presente trabalho aborda a integração de um sensor óptico a laser a um robô para automação da soldagem. O sensor é fabricado por uma empresa estrangeira, a Meta Vision Systems. O manipulador robótico faz parte da família TARTILOPES, desenvolvido pelo Laboratório de Soldagem da UFSC, LABSOLDA. Esse sensor é capaz de reconhecer e medir o perfil da junta de soldagem durante a execução da união, disponibilizando informações em tempo real sobre o posicionamento da tocha de soldagem ao longo da junta soldada. A utilização destes dados torna possível a realização do seguimento de junta, situação em que o manipulador é comandado para manter sempre o mesmo posicionamento em relação ao centro da junta. O sistema desenvolvido neste trabalho demandou a aplicação de um protocolo de comunicação entre o software para seguimento de junta e o controlador do robô. Os algoritmos de correção de trajetória foram criados contemplando duas situações distintas, de movimentação com e sem oscilação da tocha de soldagem. Os dois algoritmos foram testados em quatro ensaios diferentes. Nos ensaios foram abordados desde a calibração destes até a comparação do sistema desenvolvido com um manipulador comercial para seguimento de junta. Os corpos de prova projetados para ensaio dos algoritmos contemplaram diversas variações geométricas acentuadas, impondo ao sistema a necessidade de contínua correção da trajetória de soldagem. Ao final dos ensaios, o sistema desenvolvido neste trabalho se mostrou capaz de realizar o seguimento de junta em situações de extrema solicitação. / This work discusses the integration of an optical laser sensor to a robot for welding automation. The sensor is manufactured by a foreign company, Meta Vision Systems. The robotic manipulator is part of the TARTILOPES family, developed by Welding Laboratory of UFSC, LABSOLDA. This sensor is able to recognize and measure the profile of the weld joint while the union is made, providing real-time information about the positioning of the welding torch along the weld joint. Using such data makes it possible to have the seam tracking, in which the manipulator is operated to always maintain the same relative position to the joint center. The system developed in this study required the implementation of a communication protocol between the software for seam tracking and the robot controller. The trajectory correction algorithms were created considering two distinct situations, handling with and without oscillation of the welding torch. Both algorithms were tested in four different experiments. The tests included from the calibration of these algorithms to the comparison with a commercial system designed for seam tracking. The specimens designed to test the algorithms included several sharp geometric variations, demanding the system the need for continuous adjustment of the welding trajectory. At the end of the tests, the system developed in this paper proved to be able to perform the seam-tracking request in extreme situations.

Orientador : João Mauricio Rosario / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-27T23:45:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sa_ClaudioEduardoAravechiade_D.pdf: 35817131 bytes, checksum: e495fd6a62b93a1a2ddfc8b25f6b7e83 (MD5) Previous issue date: 2000 / Resumo: O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema automático de geração de trajetórias e a implementação de um programa computacional off-line e de um programa de supervisão e controle, com o objetivo de viabilizar a automação de tarefàs de robôs. Foi utilizado para o desenvolvimento deste trabaJho o robô Manutec fabricado pela Siemens composto de seis juntas rotacionais e o manipulador submarino Kraft mas isto não impede que os resultados obtidos possam ser estendido para robôs com outros tipos de juntas. Inicialmente é realizada uma discussão sobre a programação "off-line" e sobre a supervisão e controle de dispositivos robóticos. Também é rea1izada uma breve revisão dos conceitos utilizados na robótica, sobre geração de trajetórias e a formulação matemática para a obtenção do modelo geométrico direto e inverso de um robô e em seguida é apresentado a estrutura do sistema proposto para a geração de trajetórias. E após isso se discorre sobre o tratamento de colisões e criação de obstáculos e a implementação do programa computacional off-line e os resultados obtidos (computacionais e experimentais). Os programas foram implementados, em linguagem ADA, em um microcomputador compatível com a linha ffiM-PC-AT de forma modular, possibilitando alterações / Abstract: The objective of this work is the development of an automatic system of generation of trajectories and the implementation of a program off-line and a program of supervision and contro}, with the objective of making possible the automation of robots' tasks. The robot used for the development of this work was Manutec manufactured by Siemens composed of six rotational joints and the manipulator submarine Kraft but this doesn't impede that the obtained results can be extended for robots with other types of joints. Initially a brief revision of the concepts used in the robotics is accomplis~ about generation of trajectories and the mathematical formulation for the obtaining of the a robot's direct and inverse geometric model and soon afier the structure of the system proposed for the generation of trajectories is presented. It is then it is made a study on the treatment of collisions and creation of obstacles and the implementation of the program off-line and the obtained resu1ts. The programs are implemented, in language ADA, in a compatible microcomputer with the line IBM-PC-ATTN in way to modulate, facilitating alterations / Doutorado / Mecanica dos Solidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Este trabalho aborda o desenvolvimento de uma metodologia para a da determinação de parâmetros de projeto de uma classe de robôs industriais hidráulicos com atuadores lineares diretamente acoplados aos elos. Um robô típico desta classe pode ser dividido em três partes: a base, o braço e o punho, sendo que, no presente trabalho, é abordado o desenvolvimento do braço. São propostos métodos sistemáticos para a determinação das dimensões dos elos, dos cursos angulares das juntas, dos pontos de acoplamento dos atuadores, da estrutura principal dos elos, e para a sistematização do procedimento de especificação dos atuadores e unidades de potência hidráulica. Estes métodos dependem da predefinição por um projetista das necessidades técnicas das tarefas que o robô deve realizar, a partir dos quais os métodos então buscam a determinação dos parâmetros ótimos do braço para estas tarefas. Também é apresentada a cinemática direta, inversa, e a matriz Jacobiana, e é feito o equacionamento da dinâmica do braço em forma matricial, considerando a influência da inércia e peso dos atuadores, de modo a permitir a análise dos carregamentos e facilitar o controle. As equações propostas são verificadas com comparações com softwares comerciais e resultados disponíveis na literatura. Um programa computacional que implementa a metodologia deste trabalho foi desenvolvido e aplicado para determinar os parâmetros de dois braços propostos como estudo de casos. A metodologia se mostrou capaz de rapidamente especificar o braço adequado para cada caso, calculando as características de desempenho que deverão possuir se construídos. Estes dados podem ser aplicados para a construção de um robô hidráulico, ou para assistir o projetista a determinar se um robô hidráulico é adequado ou não para realizar as tarefas predefinidas. / This work presents the development of a methodology for the determination of the design variables of a class of hydraulic industrial robots with linear actuators directly coupled to the links. A typical robot of this class can be divided in three parts: the base, the arm and the wrist, of which the development of the arm is tackled in this work. Systematic methods are proposed for the determination of the links’ dimensions, the joints’ angular strokes, the coupling points for the actuators, the main structure of the links, and for the systematization of the procedure used to specify the actuators and pumps. These methods depend on the technical specifications, predefined by the designer, that are required for the arm to be able to perform a given set of tasks, and then seek the optimum parameters for the arm. The direct and inverse kinematics are also presented, as well as the Jacobian matrix, and the dynamics of the arm are calculated in matrix form, taking into consideration the inertia and weight of the actuators, so as to allow the analysis of the structural loads and facilitate the control. The proposed equations are verified via comparisons with commercial software and results found in the literature. A computer program that implements the methodology of this work was developed and used to determine the parameters of two proposed arms as a case study. The program was able to quickly specify the configurations for the arm of each case, and also calculate the performance characteristics the arms should possess if built. This data can be used to build a hydraulic arm, or even to help the designer to determine if a hydraulic robot is ideal or not for the given set of tasks.

Nas linhas de montagens industriais, a fim de atender os requisitos de mercado e de ciclo de vida dos produtos, os requisitos de manufatura e as novas tecnologias presentes nos equipamentos indicam a necessidade de reconfiguração e reprogramação do fluxo de processos de forma cada vez mais frequente. Atualmente, uma das opções para implantar um sistema de manufatura flexível, capaz de reagir às mudanças que ocorrem no processo de fabricação, consiste na utilização de tecnologias que forneçam maior flexibilidade, capacidade de reutilização e menor custo. Neste contexto, os robôs baseados em módulos mecatrônicos podem ser uma alternativa em relação aos manipuladores convencionais, pois apresentam uma estrutura cinemática flexível, podendo se adaptar às mudanças das linhas de produção, nas indústrias de manufatura. O presente trabalho apresenta uma proposta para o desenvolvimento de módulos mecatrônicos para a montagem de robôs manipuladores modulares, baseada em um procedimento sequencial composto das seguintes etapas: (a) elaboração do projeto mecânico modular; (b) projeto dos sistemas eletrônicos e de atuação para cada módulo; (c) definição dos agentes mecatrônicos; e (d) descrição dos modelos matemáticos e os algoritmos de comunicação entre módulos mecatrônicos. Nesta pesquisa apresenta-se um estudo no qual os módulos mecatrônicos utilizam energia de origem pneumática e são constituídos por unidades independentes utilizadas na formação de estruturas robotizadas as quais permitem a montagem de diferentes arquiteturas. Um estudo de caso é apresentado para ilustrar a construção de um robô modular cartesiano. Este robô é construído por meio de acoplamentos de módulos mecatrônicos e gerenciado pela associação dos agentes mecatrônicos presentes no sistema, os quais equacionam a cinemática da estrutura formada, planejam a trajetória a ser executada e disponibilizam informações que podem ser utilizadas para o controle, supervisão e proteção do sistema por exemplo. A arquitetura proposta permite a reconfiguração dos recursos de hardware e software, de forma que todos os módulos do robô podem ser reorganizados e/ou substituídos, dependendo da função, aplicação para as quais se destinam. / In industrial manufacturing lines, in order to meet the market requirements and life cycle of manufactured products, the manufacturing requirements and the present of new technologies in equipment, indicate the need for reconfiguration and reprogramming processes, which are becoming more frequent. Currently, one of the options to deploy a flexible manufacturing system that is capable of reacting to changes in the manufacturing process is the use of technologies that provide greater flexibility, reusability and lower cost. In this context, the robots based on mechatronic modules can be an alternative to conventional manipulators, since they have a flexible kinematic structure, which can adapt to the changes in production lines in manufacturing industries. This paper presents a proposal for the development of mechatronic modules for assembly robots modular manipulators, based on a sequential procedure consists of the following steps: (a) Develop a modular mechanical design; (b) design electronic systems and operations for each module; (c) definition of mechatronic agents; and (d) a description of mathematical models and algorithms of the communication between mechatronic modules. This research presents a study where the mechatronic modules use pneumatic energy and consist of independents units used in the formation of robotic structures, thus allowing the assembly of different architectures. In a case study, the construction of a modular Cartesian robot is presented. This robot is built by mounting the mechatronic modules and is managed by mechatronic agents present in the system (Multi-Agent System). This system obtains the kinematic equations of the formed structure, realize the path planning, and provide information that can be used for the control, like supervision and protection system for example. The proposed architecture allows reconfiguration of hardware and software resources, so that all robot modules can be rearranged and/or replaced, depending on the function or, the final application.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

A competitividade no mercado atual, aliado a uma demanda por qualidade e produtividade dos produtos, tem gerado um aumento significativo no emprego de robôs nos processos produtivos das indústrias. Entretanto, estes equipamentos estão sujeitos a apresentar problemas, mais especificamente, erros de exatidão e repetitividade em suas operações. Nesse contexto, a proposta deste trabalho consiste em aperfeiçoar o entendimento da metodologia existente para avaliação de desempenho de robôs industriais, apresentada pela norma ISO 9283, "Manipulating industrial robots - Performance criteria and related test methods", de modo a viabilizar sua aplicabilidade em testes instrumentalizados para robôs industriais. O dispositivo de avaliação de desempenho elaborado consiste num sistema conhecido como cubo-berço, projetado, construído e aplicado em um robô industrial, pertencente ao laboratório de usinagem e robótica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS. As características de exatidão e repetitividade unidirecionais de posicionamento foram mensuradas experimentalmente com base nos critérios constantes na norma específica. Os dados foram obtidos da medição dos erros tridimensionais entre as posições atingidas nos ensaios e as posições programadas no robô de teste, através de um sistema de medição prático e de baixo custo. O dispositivo de medição é constituído por três relógios digitais, montados ortogonalmente em cada eixo do sistema de coordenadas do robô, sob uma estrutura metálica rígida, e conectados a um sistema informatizado, para a coleta e registro dos dados. Os resultados apresentados se mostraram satisfatórios, viabilizando o uso da metodologia apresentada na norma, assim como, do dispositivo de avaliação de desempenho projetado neste estudo. / The competitiveness in the current market, ally to a demand for quality and productivity of the products, has generated a significant increase in the job of robots in the productive processes of the industries. However, these equipments can present some problems, more specifically, errors precision and repeatability errors in operations. The proposal of this paper consists of perfecting the agreement of the existing methodology for evaluation of industrial robots performance, presented for norm ISO 9283, "Manipulating industrial robots - Performance criteria and related test methods", to make possible its applicability in instrumentation tests for industrial robots. The projected device consists of a known system as cube-cradle, projected, constructed and applied in an industrial robot installed on the robotics laboratory of the Rio Grande do Sul Federal University - UFRGS. The precision and repeatability characteristics of positioning had been experimentally measures on the constant criteria basis in the specific norm. The data had been gotten of the three-dimensional measurement errors between the test positions reached and the robot programmed positions, through a practical measurement system and low cost. The measurement device is constituted by three digital gages, assembled in each axle of the robot coordinate basis system, under a metallic structure, and connected to a electronic system, for the data collection and registers. The presented results had shown satisfactory, making possible the use of the methodology presented in the norm, as well, of the projected device of performance evaluation in this study.

A grande maioria dos robôs industriais disponíveis no mercado é de alto desempenho, principalmente com relação à precisão de posicionamento. Este aspecto é um dos fatores que mais influencia no seu preço final, levando em consideração toda a complexa cadeia de elementos que fazem com que o robô opere corretamente, desde os motores e componentes mecânicos, passando pela arquitetura e sistemas de controle até o sistema de programação. Tendo isto em vista, este trabalho visa projetar um robô industrial com preço mais acessível, adequado para o uso em processos industriais que não necessitem altos níveis de precisão. Para a redução de custos de fabricação e de componentes do robô, este trabalho viabiliza o uso de atuadores pneumáticos lineares como fonte motriz, pois os mesmos são relativamente baratos, leves, não poluentes, de fácil montagem e operação, além de apresentarem uma boa relação peso/potência. Para tanto, foi implementado uma estratégia de controle por modos deslizantes com objetivo de superar as dificuldades impostas pelo comportamento não-linear dos componentes pneumáticos. Com relação à redução de custos de programação e operação do robô, desenvolveu-se um ambiente de programação off-line, através de softwares de auxilio à manufatura e de engenharia usualmente encontrados em ambientes industriais. A estratégia fundamental neste trabalho, foi o desenvolvimento de uma metodologia de projeto própria, concebida especificamente para a aplicação em projetos de robôs industriais, com os atributos de facilidade de execução e modularidade das fases envolvidas. A qual, no presente trabalho, apresenta o desenvolvimento de um robô cartesiano com três graus de liberdade acionado por atuadores pneumáticos lineares. / The great majority of industrial robots available in the market have high performance, especially relative to position accuracy. This aspect is one of the factors that most influence its final price, taking into account all complicated web elements that makes the robot operates in the correct form, since the actuators and the constructive part, passing by the architecture and control systems until the system of programming. According to these, the present work aims to project an industrial robot with more accessible costs, adequate to use in industrial process that not require high level of accuracy. For the reduction of manufacture and components costs of the robot, this work make viable to use of pneumatic actuators like a motive source, because are relatively cheap, light, not pollutants, easy assembly and operation, besides presenting a good relation weight/power. For such purpose, the strategy of control was implemented by sliding mode control for the objective to surpass the difficulties imposed by the non-linear behavior of the pneumatic components. About the reduction of programming and operation costs of the robot, an off-line programming environment was developed through manufacturing aided software and a software of engineering both usually found in industrial environments. The basic strategy in this work, was the development of an own methodology of project, conceived specifically for the application in projects of industrial robots, with the attributes of easiness of execution and modularization of the wrapped phases. That methodology, in the present work, presents the development of a Cartesian robot with three degrees of freedom actuated by pneumatic servo drive.

O presente trabalho trata do projeto, construção e análise de desempenho de um robô pneumático com três graus de liberdade. Foi fundamentado no trabalho de Frasson (2007) com alterações na escolha de componentes que permitissem a redução de custos. Tem como objetivo verificar se um robô comandado por válvulas solenóide rápidas, e controlado pela técnica baseada em modos deslizantes (Slide Mode Control), tem desempenho adequado para permitir sua aplicação em processos industriais. Os testes efetuados para constatar seu desempenho foram os de deslocamento em degrau (step) e o seguimento de trajetória. A configuração do robô é cartesiana por permitir que os eixos do robô trabalhem desacoplados, facilitando o estudo dos movimentos. Os resultados dos testes de deslocamento em degrau e os de seguimento de trajetória indicam que o robô mostrou-se eficiente no posicionamento final em relação os valores definidos pela camada limite. Observou-se também que a combinação entre o tempo de resposta da válvula solenóide e a vazão de ar que atravessa à válvula (constante no caso de válvulas solenóide) estabelece a dinâmica dos cilindros e, dependendo da velocidade determinada para o deslocamento do êmbolo resulta impossível manter a movimentação dentro da camada limite escolhida. Desta forma o robô cartesiano com acionamento por eletroválvulas pneumáticas e controlado através da técnica baseada em modos deslizantes, mostrou-se eficiente para tarefas em que é necessário um de posicionamento final dentro da camada limite, como podem ser as de montagem e armazenamento, por exemplo. Já nas aplicações em que o seguimento de trajetória se torna necessário, deve ser feito um estudo considerando o tempo de acionamento das válvulas, a vazão de ar e as velocidades que o robô deve desempenhar para determinar se a largura da camada limite necessária é aceitável para a aplicação pretendida. / The present work tries the design, construction and analysis of performance of one three degrees of freedom pneumatic robot. This work was substantiated in the work of Frasson (2007) with some alterations in the components choice to reduce costs. This work objective is to verify the robot, being commanded by quick solenoid valves, and controlled by a technique based on Slide Mode Control, permits their application in industrial trials. The tests performed for establish his performance were the displacement in step function and the following of path. This robot has a Cartesian configuration because the axis is free to move alone and the study of axes movement is easy. The tests results indicate that a pneumatic robot had precise perform in the tests of displacement in step, positioning itself inside the streak of default tolerance in each one of the axes. Also the solenoid valve response time and the solenoid valve air flux make a cylinder dynamics and depends on speed choice to piston movement may be impossible to maintain the motion inside of the sliding surface. Then a Cartesian pneumatic robot commanded by fast solenoid valves a having an Slide Mode Control show efficient to deal with assignments which need a final location inside the limit area, as assemblies or storage assignments. In cases where following of path is important, is need an specific study on valves switching time, air flow and speed needed in robot operation to determine if the limit region defined is accepted for the assignments choiced.