Metodologia de desenvolvimento de um manipulador hidráulico para atuação na indústria

Abstract

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.