Aula 15 - Robô do tipo Scara

F.1 – Estrutura padrão da configuração Scara

O robô do tipo Scara, assim como a configuração paralela (hexapod), está se popularizando e deixando de ser considerada como uma “configuração especial”. Desenvolvida por um grupo de empresas japonesas, Scara significa Selective Compliance Assembly Robot Arm (Braço Robótico para Montagem com Flexibilidade Seletiva)

A figura 1 ilustra a estrutura padrão de uma configuração Scara, que possui quatro graus de liberdade, sendo três deles para posicionar o punho (eixos X, Y e Z) e um para orientar a garra (ou ferramenta). A figura 1 também mostra o sistema de coordenadas global, representado pelos eixos X0, Y0 e Z0.

O elo (link) representado na cor laranja é a base do robô e é fixada ao local de trabalho. O elo roxo, que será chamado de Teta1, é ligado à base por uma junta rotacional centrada no eixo Z0. O elo vermelho, denominado de Teta2, é ligado ao elo roxo por uma outra junta rotacional. Estas duas primeiras juntas permitem o posicionamento do punho no plano XY. Na figura 1 temos Teta1 e Teta2 em suas posições iniciais. O último elo possui em sua parte inferior o punho, e está representado em amarelo. A junta entre os elos vermelho e amarelo é, na realidade, dupla. O elo amarelo desliza verticalmente em relação ao elo vermelho, permitindo o posicionamento do punho no eixo Z, e também gira em seu próprio eixo possibilitando a orientação do dispositivo que será fixado ao punho (esse movimento será denominado de Roll).

F.2 – Formação do volume de trabalho da configuração Scara.

A configuração descrita é a mais usual, mas há variantes. Há modelos onde o movimento vertical (eixo Z) é realizado pelo primeiro elo e não pelo último.

O volume de trabalho de um robô é o conjunto de todos os pontos do espaço que o seu punho pode alcançar e cada configuração possui uma forma característica. A figura 2 mostra como o volume de trabalho de um robô Scara é formado por quatro arcos de circunferência.

A análise da figura 2 inicia-se com o punho no limite superior e com Teta1 e Teta2 nas posições iniciais. Em A tem-se o limite imposto pela movimentação apenas de Teta2, que saiu de sua posição inicial (2=0º) e atingiu seu ângulo máximo. Em B Teta2 é mantido na posição final e apenas Teta1 move-se desde seu ângulo inicial (1=0º) até a posição final. Em C o movimento é realizado apenas por Teta2 que sai da sua posição final e retorna para a posição inicial. Em D é mostrado o retorno de Teta1 para a posição inicial, mas ainda na metade do trajeto, que é completado em E. Portanto, em E pode-se observar o plano superior do volume de trabalho. Com o punho na posição inferior obtém-se a mesma forma geométrica, que representa o plano de trabalho inferior. Sendo assim, em F tem-se a representação do volume de trabalho típico de um robô Scara.

Há robôs onde o eixo Z é comandado pneumaticamente e, dessa forma, tem apenas duas posições possíveis. Nestes robôs o volume de trabalho é formado apenas pelos planos superior e inferior, não podendo atingir posições intermediárias. Nos robôs com eixo Z  servo-controlado é possível posicionar o punho em qualquer ponto entre os limites superior e inferior.

F.3 – Dimensões variáveis e invariáveis da configuração Scara.

Para descrever matematicamente um robô é necessário definir as dimensões invariáveis (constantes construtivas) e as dimensões variáveis. A figura 3 apresenta, em duas vistas, as constantes L0, L1 e L2 destacadas em preto, as variáveis 1, 2 e d em azul e as coordenadas cartesianas do punho X, Y e Z, em rosa. Deve-se observar que à esquerda Teta1 e Teta2 estão na posição inicial, enquanto que o mesmo não acontece à direita. A constante L0 é a altura atingida pelo punho quando está na posição mínima. A constante L1 é o comprimento de Teta1 enquanto L2 é o comprimento de Teta2. Compare o desenho da direita com a figura 4 do artigo “Robôs Manipuladores – 1ª parte” publicado na edição no 2.

Quadro 1 – Equações da cinemática direta.

O quadro 1 apresenta as equações da cinemática direta, ou seja, dados os valores de 1, 2 e d (variáveis das juntas) é possível calcular as coordenadas cartesianas do punho.

Mas, em um programa de controle do robô há também outra necessidade de cálculo geométrico. É quando o usuário define as coordenadas cartesianas (X, Y e Z) onde deseja posicionar o punho. Nesta situação devem-se calcular os valores de 1, 2 e d necessários para atingir a posição meta. As equações que permitem esse cálculo são conhecidas como cinemática inversa, e estão apresentadas no quadro 2.

Quadro 2 – Equações da cinemática inversa.

Para um entendimento mais completo é interessante analisar as características de modelos reais. Serão usados como exemplo os robôs IBM 7535 e IBM 7545, ambos disponíveis no LAM – Laboratório de Automação da Manufatura da UNIFEI (Universidade Federal de Itajubá), onde dividem espaço com um centro de torneamento Nardini e um centro de usinagem Fadal VMC-15.

Estes robôs não são mais fabricados, mas suas características podem ser observadas em sites como << http://www.servosystems.com/used_robots_index.htm >>. Além disso, há robôs como esses em outras universidades, podendo-se citar a Unicamp e a Escola de Engenharia da USP – São Carlos. A tabela 1 apresenta as principais características desses equipamentos.

T.1 – Características dos robôs 7535 e 7545 da IBM. 

A figura 4 ilustra os três componentes dos IBM, que são o manipulador, a unidade de controle (processador) e o painel de controle. Mas, para operar o equipamento é necessário um microcomputador PC para digitar os programas, realizar a compilação e enviá-lo ao robô.

F.4 – Componentes dos robôs IBM 7535 e IBM 7545.

A figura 5 apresenta o painel de controle do IBM 7535, que possui uma tecla a menos que o 7545. Pela verificação das funções das teclas principais pode-se conhecer como é a operação deste equipamento. O teclado é de membrana e cada uma das teclas possui um LED vermelho para indicar que foi pressionado. As três teclas do canto superior direito (Power, Home e Memory) não são teclas e sim indicadores luminosos, da mesma forma que os seis indicadores de erros (SE, PF, OR, OT, TE e DE).

F.5 – Painel de controle do robô IBM 7535.

O grande botão vermelho desliga todas as saídas. Estes robôs, quando tem seus motores desenergizados, permitem que Teta1 e Teta2 sejam movimentados com as mãos, sem grande esforço. Quando este botão é pressionado fica travado. Para destravá-lo é necessário gira-lo.

Manip Power: quando o equipamento é ligado, ou após uma parada de emergência, pressiona-se esta tecla para que os servo-motores e demais dispositivos sejam energizados. O indicador luminoso Power irá ficar aceso.

Return Home: o sistema de medição destes robôs é incremental e dessa forma, quando é acionado, não sabe onde Teta1, Teta2, Roll e Eixo Z estão. É necessário iniciar o procedimento chamado de referenciamento. Ao pressionar esta tecla, os quatro eixos irão se movimentar na direção de suas respectivas posições iniciais, em busca de indicadores de posição (sensores). Para evitar colisões com dispositivos na área de trabalho, primeiramente é movimentado o eixo Z para a direção superior. Quando os quatro eixos tiverem encontrado suas marcas o equipamento estará referenciado e pronto para entrar em operação. O indicador luminoso Home se acenderá.

Reset Error: quando algum dos seis erros interrompe a execução de um programa o operador deve remover a causa do erro e, após isso, pressionar esta tecla para prosseguir. Por exemplo, quando o robô fica aguardando um sinal de um equipamento externo por um determinado tempo programado e o sinal não é enviado, ocorre um erro OT (Out Time).

On Line: permite estabelecer comunicação com o computador para envio ou recebimento de programas, ou movimentação dos eixos por meio do teclado do computador.

Off Line: encerra a conecção com o computador. É necessário estar neste estado para movimentação manual do robô ou execução de programas.

Auto: prepara o sistema para execução de programas (modo Automático).

Manual: prepara o sistema para movimentação manual.

App1 à App5: seleciona o programa armazenado em uma das cinco áreas de memória.

Start Cycle: se um programa acaba de ser selecionado ou se foi utilizada a tecla Stop Cycle, inicia a execução do programa a partir de seu início. Caso tenha sido utilizada a tecla Stop & Mem o programa é executado a partir do ponto memorizado.

Stop Cycle: interrompe a execução do programa que está sendo executado.

Stop & Mem: interrompe a execução do programa que está sendo executado e armazena a posição para reinicialização a partir deste ponto.

Step: faz o sistema entrar na execução passo-a-passo, ou seja, é necessário usar esta tecla para a execução de cada linha do programa.

As teclas que serão descritas em seguida só operam quando o sistema está em modo Manual.

Gripper Open / Gripper Close: abre e fecha a garra do robô (acionamento pneumático).

Z Up / Z Down: movimentam o eixo Z para cima e para baixo (pneumático ou servo-controlado).

1+ / 1-: movimentam Teta1 no sentido positivo ou negativo.

2+ / 2-: movimentam Teta2 no sentido positivo ou negativo.

Roll+ / Roll-: gira o eixo Z no sentido positivo ou negativo.

Rapid: utilizado com 1, 2, Roll e Z para movimentação mais rápida.

F.6 – Programa básico (que não faz nada).

Os comandos mostrados podem ser experimentados em um simulador disponível em http://www.iem.efei.br/gorgulho/robo.html para ambiente Windows. Para utilizá-lo, após iniciar o programa vá para Arquivo – Novo e será aberta uma área para digitar um programa. O simulador não permite entrar no modo de simulação sem que seja criado um programa. Pode-se então digitar um programa que não faz nada, com apenas duas linhas, como mostra a figura 6.

Depois de digitado basta usar a opção Compilar. Não havendo nenhum erro, é liberada a opção Simular. A tela de simulação está apresentada na figura 9.

F.7 – Tela de simulação com o robô desligado.

Observe que o robô está em uma posição X, Y e Roll qualquer e com o Eixo Z na posição inferior. Deve-se pressionar a tecla Manip Power para acionar o robô (o Led vermelho se acenderá). Em seguida use o botão Return Home para referenciá-lo. Observe a rotina de movimentos que é realizada.

Após o referenciamento pode-se optar por entrar no modo Auto ou Manual. A tela mostrada pela figura 10 mostra os comandos de movimentação manual. Há também a opção de clicar com o mouse em uma posição da área de trabalho para movimentar o 7535.

F.8 – Robô na posição inicial e no modo de movimentação manual.

O objetivo deste artigo foi apresentar as características de um robô de configuração Scara, bem como mostrar que as funções disponíveis no painel de controle de um equipamento deste tipo não são tão complexas quanto se pensa. É claro que os robôs mais modernos, com programação via painel e com mais graus de liberdade possuem painéis de controle proporcionalmente mais complexos. Mas certamente possuirão funções como as apresentadas, além de comandos específicos de cada configuração e fabricante.

A linguagem de programação utilizada é a AML/Entry da própria IBM. O simulador aceita todos os comandos desta linguagem, mas isso é assunto para outro artigo.

Bibliografia

Groover, M. P., Zimmers, E. W. CAD/CAM: computer-aided design and manufacturing, Prentice-Hall, 1984.

Groover, M. P., Automation, production system and computer-integrated manufacturing, Prentice-Hall, 1987.

Holzbock, W. G., Robotic technology – principles and pratice, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1986.

Manual de operação do IBM 7535.

*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Nº13 - Dez/03