UC02944 · Robótica industrial

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Introdução

A robótica industrial transformou a manufactura desde os anos 1980. Hoje, robôs estão em:

• Indústria automóvel (soldadura, pintura, montagem).
• Electrónica (montagem de componentes).
• Alimentar (embalagem, paletização).
• Farmacêutica (manipulação estéril).
• Logística (separação automatizada).

Esta unidade (25h) cobre: tipos de robôs, componentes, programação, integração, segurança e manutenção.

1. Tipos de robôs

1.1 Por estrutura cinemática

Articulados (6+ eixos):

• Mais versátil e comum.
• Estrutura semelhante a braço humano.
• 6 rotações = 6 graus de liberdade.
• Pode atingir qualquer posição e orientação no seu envelope.
• Aplicações: soldadura, pintura, manipulação, montagem.

SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm):

• 3 eixos rotativos + 1 vertical.
• Movimentos horizontais muito rápidos.
• "Rígido" verticalmente, "compliant" horizontalmente.
• Aplicações: montagem electrónica, pick-and-place.

Delta (parallel robot):

• 3 (ou 4) braços paralelos.
• Velocidade extrema (até 300 ciclos/min).
• Carga reduzida (< 2 kg típico).
• Aplicações: embalagem alimentar, farmacêutica.

Cartesiano (gantry):

• 3 eixos lineares (X, Y, Z).
• Movimento rectangular.
• Aplicações: 3D printing, máquinas-ferramenta, mesas de pick.

Cobots (colaborativos):

• Estrutura similar a articulado mas com sensores de segurança.
• Pode trabalhar junto a humanos sem jaula.
• Velocidade limitada, geometria arredondada, detecção de força.
• Crescimento explosivo desde 2010.

1.2 Por aplicação

• Industrial classic: pesados, rápidos, em jaula. Volkswagen, automóvel.
• Cobot: assistência ao operador. Montagem electrónica, embalagem.
• Logístico: AGV (Automated Guided Vehicle), AMR (Autonomous Mobile Robot). Armazéns.
• Serviço: limpeza, hotelaria. Crescimento.
• Médico: cirurgia robótica (da Vinci).
• Educacional: pequenos, para aprendizagem.

1.3 Marcas dominantes

Top globais:

• FANUC (Japão): líder mundial, amarelo característico.
• ABB (Suécia/Suíça): cor laranja, robôs industriais.
• KUKA (Alemanha): cor laranja, automóvel.
• Yaskawa Motoman (Japão).
• Kawasaki Robotics (Japão).

Cobots:

• Universal Robots (UR3, UR5, UR10, UR20): mercado pioneiro.
• KUKA LBR iiwa.
• FANUC CR series.
• Doosan Robotics.

Em Portugal: ABB e FANUC dominam.

1.4 Características técnicas

Especificações essenciais:

• Carga útil (payload): peso máximo que pode manipular.
• Alcance (reach): distância máxima do centro à ponta.
• Repetibilidade: precisão em repetir mesma posição (típico ±0,02 a ±0,1 mm).
• Velocidade máxima dos eixos.
• Eixos (6 standard, mais para configurações especiais).

Exemplos:

2. Componentes

2.1 Estrutura mecânica

Eixos (joints):

• Cada eixo é uma junta rotativa (em articulados) ou linear (em cartesianos).
• 6 eixos = 6 graus de liberdade.

Servomotor por eixo:

• BLDC (Brushless DC) ou PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).
• Alta densidade de potência.
• Resposta dinâmica rápida.

Encoder absoluto multi-turn:

• Posição precisa (até 24 bits = 16 milhões de posições por volta).
• Mantém posição após desligar (não precisa de homing).
• Comunicação digital (BiSS, EnDat, Hiperface).

Redutor:

• Harmónico (HD — Harmonic Drive): muito compacto, baixa folga, mas custoso.
• Cycloid: alta eficiência, boa para cargas elevadas.
• Planetário: para eixos mais simples.

Travão:

• Mantém posição quando motor desligado.
• Energia eléctrica liberta.
• Segurança: trava automaticamente em emergência.

2.2 Controlador

Cabinet com:

• CPU: processador potente (Intel Xeon, ARM).
• OS: Linux Real-Time ou proprietário (RC do ABB, R-30iB do FANUC).
• Drives: amplificadores para cada eixo.
• I/O: digitais e analógicos para sensores e ferramentas.
• Comunicação: Ethernet, Profinet, EtherNet/IP, etc.
• Fonte: alimentação dos motores e electrónica.

Capacidade:

• Calcula trajectórias 1000+ vezes por segundo.
• Coordena 6+ eixos sincronizados.
• Integra sensores, visão, comunicação.

2.3 Pendant (teach pendant)

Dispositivo manual para operar e programar robô:

• Ecrã touch.
• Joystick / dpad para mover robô manualmente.
• Botões emergência + dead-man (homem-morto).
• Conectado ao controlador por cabo ou wireless.

Funções:

• Mover robô manualmente.
• Gravar pontos.
• Editar programa.
• Diagnóstico.
• Visualizar status.

2.4 End effector (ferramenta)

Componente na ponta do robô que faz o trabalho:

Pinças:

• Paralela (2 dedos): standard.
• 3 dedos: peças cilíndricas.
• Adaptiva: dedos articulados.

Vácuo (ventosas):

• Para superfícies planas (vidro, plástico, papelão).
• Gerador de vácuo Venturi ou bomba.

Magnética:

• Para peças ferrosas.
• Activa/desactiva electricamente.

Soldadura:

• Tocha MIG/MAG ou TIG.
• Para automóvel principalmente.

Outras:

• Pistola de cola.
• Cortador de plasma/laser.
• Sensor (visão, força).
• Customizado para aplicação.

2.5 Sensores

Encoder em cada eixo (já abordado).

Visão computacional:

• Câmara industrial (Cognex, Keyence, Omron).
• 2D ou 3D.
• Identifica peças, posição, orientação.

Sensor de força/binário:

• Junto à ferramenta.
• Para montagens delicadas.
• Detecta colisões.

Sensores de segurança:

• Light curtain (cortina óptica).
• Laser scanner (área).
• Tapete de pressão.

3. Programação

3.1 Métodos de programação

1. Teach by demonstration (lead-through):

• Operador agarra o robô e move-o.
• Robô grava posições.
• Útil para pintura, soldadura artística.
• Cobots facilitam isto (modo gravity compensation).

2. Teach pendant:

• Pendant com joystick.
• Operador move robô através do pendant.
• Grava posições.
• Standard industrial.

3. Offline programming:

• Software de simulação no PC:
• ABB RobotStudio.
• KUKA Sim.
• FANUC RoboGuide.
• Yaskawa MotoSim.
• Programar em ambiente virtual.
• Simular movimento (verificar colisões).
• Transferir para robô real.

4. CAD/CAM integration:

• Caminho directamente do CAD.
• Para máquinas-ferramenta robóticas.

5. Visão computacional + adaptação:

• Câmara identifica peça.
• Robô adapta trajectória.
• Standard moderno.

3.2 Linguagens

ABB RAPID:

MODULE PickPlace
    CONST robtarget Home := [[500,0,500],[1,0,0,0],[0,0,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]];
    CONST robtarget p1 := [...];
    CONST robtarget p2 := [...];

    PROC Main()
        MoveJ Home, v500, fine, Tool1;
        WaitDI diStart, 1;
        MoveL p1, v300, fine, Tool1;
        SetDO doVac, 1;
        WaitTime 0.5;
        MoveL Offs(p1,0,0,100), v500, z10, Tool1;
        MoveL p2, v500, fine, Tool1;
        SetDO doVac, 0;
        MoveJ Home, v500, fine, Tool1;
    ENDPROC
ENDMODULE

KUKA KRL:

DEF PickPlace()
    PTP HOME Vel=100% DEFAULT
    LIN p1 Vel=0.5 m/s CPDAT1 Tool[1]
    OUT 1 'Vacuum' State=TRUE
    WAIT Time=0.5 sec
    LIN p2 Vel=0.5 m/s CPDAT2 Tool[1]
    OUT 1 'Vacuum' State=FALSE
    PTP HOME Vel=100%
END

FANUC KAREL ou TP (Teach Pendant Language).

Universal Robots URScript (estilo Python):

def pick_place():
    movej(home, v=1.0)
    while True:
        wait_input(start_input)
        movel(p1, v=0.3)
        set_digital_out(0, True)
        sleep(0.5)
        movel(p2, v=0.5)
        set_digital_out(0, False)
        movej(home, v=1.0)
end

3.3 Movimentos

Tipos:

MoveJ (joint move):

• Movimento articular (cada eixo move-se independentemente).
• Mais rápido mas trajectória curva.
• Para deslocações longas onde não importa o caminho.

MoveL (linear):

• Trajectória recta no espaço (XYZ).
• Mais lento (eixos têm que coordenar).
• Para aproximação a pontos precisos.

MoveC (circular):

• Arco circular entre 3 pontos.
• Para soldadura, contornos.

MoveAbsJ:

• Posição absoluta dos eixos.
• Para retorno a referência.

3.4 Parâmetros de movimento

Velocidade:

• v100, v500, v1000: mm/s.
• Limite imposto pelo controlador.

Zona (precisão):

• fine: chega exactamente ao ponto antes de continuar.
• z1, z10, z50: arredonda a trajectória com raio especificado.
• Quanto maior a zona, mais rápida a trajectória mas menos precisa.

Tool:

• Ferramenta seleccionada (com seu offset).
• TCP definido para cada ferramenta.

WObj (Work Object):

• Sistema de coordenadas customizado.
• Útil para programas que devem funcionar em diferentes posições da peça.

3.5 Lógica e variáveis

Linguagens suportam:

• Variáveis: numéricas, booleanas, posições (robtarget), strings.
• Operadores: aritméticos, lógicos.
• Estruturas de controlo: IF, WHILE, FOR, SWITCH.
• Procedimentos e funções.
• Tratamento de erros: TRY-CATCH, gestores de erro.
• Comunicação: leitura/escrita de I/O, comunicação com PLC.

3.6 TCP — Tool Center Point

TCP = ponto de referência da ferramenta (geralmente ponta da ferramenta).

Calibração:

• Standard "4-point method": robô move-se para tocar um ponto fixo com diferentes orientações.
• Software calcula offset da ferramenta vs flange do robô.
• Crítico para precisão.

Configuração:

• XYZ offset.
• Orientação (Rx, Ry, Rz).
• Massa da ferramenta + centro de gravidade (para compensação dinâmica).

4. Integração com sistemas

4.1 Robot ↔ PLC

Comunicação típica: Profinet (ou EtherNet/IP, Profibus DP).

Dados trocados:

Do PLC para Robô:

• Comando: arrancar programa X.
• Parâmetros: receita, contadores, tipo de peça.
• Sinal de presença: peça pronta para manipular.

Do Robô para PLC:

• Status: idle, em movimento, em erro.
• Posição actual dos eixos.
• Bits de programa: estado interno.
• Resultado: sucesso, falha, sem peça encontrada.

Configuração:

• No PLC: adicionar robô como device Profinet.
• No robô: configurar mapping de I/Os.
• Programa do PLC interage via tags Profinet.

4.2 Robot ↔ Visão computacional

Câmara industrial (Cognex, Keyence, Omron, Sick):

• Foto da zona de trabalho.
• Software identifica objectos:
• Forma.
• Posição XY.
• Orientação (rotação).
• Características (cor, presença/ausência de defeitos).

Comunicação com robô:

• Ethernet com protocolo proprietário.
• Câmara envia coordenadas (X, Y, ângulo).
• Robô ajusta trajectória.

Aplicações:

• Pick from belt: peças não vêm posicionadas.
• Bin picking: peças aleatórias num cesto.
• Inspecção: verificar montagem.
• Identificação: barcodes, QR codes.

4.3 Robot ↔ HMI

Operator panel para:

• Arrancar / parar programa.
• Visualizar status.
• Reconhecer alarmes.
• Configurar parâmetros.
• Diagnóstico.

Conectado por Profinet típicamente.

4.4 Robot ↔ MES / Cloud

Industry 4.0:

• Robôs reportam produção, paragens, alarmes.
• Análise centralizada.
• Manutenção preditiva.

Protocolos: OPC UA, MQTT.

5. Segurança

5.1 Importância

Robôs são perigosos:

• Movimentos a 5 m/s na ponta.
• Forças de centenas de kgf.
• Trajectórias inesperadas em programas novos.
• Operação 24/7.

Acidentes podem ser fatais:

• Esmagamento contra parede.
• Impacto.
• Esmagamento entre robô e máquina.
• Aprisionamento (operador entrou em jaula).

5.2 Regulamentação

Standards:

• ISO 10218-1: requisitos de segurança para robôs industriais.
• ISO 10218-2: requisitos de segurança para sistemas robóticos integrados.
• ISO/TS 15066: cobots especificamente.
• EN ISO 13849: PL de funções de segurança.
• Directiva Máquinas 2006/42/CE: aplicável a células robóticas como máquinas.

5.3 Robôs industriais clássicos

Em jaula:

• Cell (célula): robô + ferramentas + cintura de protecção.
• Jaula (barreira física): grades robustas em volta.
• Porta com interbloqueio: ao abrir, robô pára imediatamente.
• Botão de emergência em vários locais.
• Sinalização: avisos, luzes piscantes durante operação.

Modos de operação:

• Auto: velocidade plena, sem operador na jaula.
• Manual reduced speed (T1): velocidade limitada a 250 mm/s. Operador pode estar dentro com pendant.
• Manual high speed (T2): velocidade plena com operador dentro. Apenas para teste de programa, com regras específicas.

Pendant com dead-man (homem-morto):

• Operador deve manter pressionado o botão.
• Se soltar (ou apertar com força máxima) → robô pára.
• Garantia que operador está consciente e em controlo.

5.4 Cobots

Características de segurança:

• Velocidade limitada (250 mm/s típico).
• Geometria arredondada (sem cantos cortantes).
• Sensores de força em cada eixo:
• Detectam contacto com humano.
• Param em milissegundos.
• Forças limitadas (~150 N máximo conforme tipo de contacto).
• Programação simplificada: teach by demonstration.

Standards ISO/TS 15066 define:

• Forças máximas por parte do corpo (cabeça mais sensível, mais limitada que pernas).
• Pressões máximas (impactos rápidos vs lentos).
• Avaliação de risco específica.

Aplicações:

• Montagem electrónica (apertar parafusos, colocar componentes).
• Pick-and-place leve.
• Inspecção (com câmara na ponta).
• Tarefas repetitivas pesadas para humanos.

5.5 Análise de risco

ISO 12100 + ISO 10218 + ISO/TS 15066:

Passos:

1. Identificar perigos específicos da aplicação:
2. Pinças, ferramentas perigosas.
3. Cargas pesadas.
4. Trajectórias.
5. Velocidade.
6. Estimar risco.
7. Aplicar medidas:
8. Engenharia (jaulas, barreiras, cobots).
9. Procedimentos (LOTO, treino).
10. EPI (mínimo, complementar).
11. Re-avaliar.

Documentação: ficheiro técnico da célula, marcação CE.

5.6 LOTO em robôs

Antes de qualquer manutenção:

1. Parar programa.
2. Aceder painel de controlo.
3. Cortar electricidade (interruptor principal + cadeado).
4. Despressurizar ar comprimido se aplicável.
5. Verificar energia residual (capacitores no drive — esperar 5 min).
6. Calço mecânico se carga suspensa.
7. Etiqueta LOTO.
8. Trabalhar.
9. Restabelecer apenas o técnico que bloqueou.

6. Manutenção

6.1 Plano

Diária (operador):

• Inspecção visual.
• Ruído anormal?
• End effector íntegro?
• Cabos da ferramenta sem danos?

Semanal:

• Limpeza geral (sem solventes agressivos).
• Cabos verificados (zonas de movimento mais).
• Verificar parafusos.

Mensal:

• Lubrificação dos eixos / redutores (conforme manual).
• Backup do programa (em PC + servidor).
• Verificar bateria do controlador (mantém memória).

Semestral:

• Calibração de TCP (verificar precisão).
• Verificação de folga nos redutores.
• Termografia dos motores.

Anual:

• Calibração geométrica completa.
• Substituição de filtros (em aplicações pneumáticas).
• Análise de óleo dos redutores (em modelos com banho de óleo).
• Verificação de cabos detalhada.

A cada 5 anos:

• Substituição preventiva de redutores (vida típica 20-30 000 h).
• Renovação de cabos do braço.
• Bateria do controlador.

6.2 Avarias comuns

6.3 Vida útil

Robô bem mantido: 20+ anos.

6.4 Backup do programa

Crítico:

• Programas RAPID/KRL/etc.
• Parâmetros do robô.
• Pontos guardados.
• Configurações.
• Receitas.

Onde:

• PC do programador.
• Servidor da empresa.
• Cartão de memória do controlador.

Frequência: após cada modificação significativa + mensal mínimo.

Apêndice A · Glossário

• DOF — Degrees of Freedom.
• TCP — Tool Center Point.
• WObj — Work Object.
• MoveJ, MoveL, MoveC — tipos de movimento.
• Cobot — Collaborative Robot.
• End effector — ferramenta na ponta.
• HD — Harmonic Drive (redutor).
• PLC — Programmable Logic Controller.
• PMSM — Permanent Magnet Synchronous Motor.
• Teach pendant — dispositivo manual de programação.

Apêndice B · Recursos

• ABB RobotStudio: gratuito para 30 dias, simulação 3D.
• FANUC RoboGuide: simulação.
• YouTube: canais ABB Robotics, FANUC, KUKA.
• Cursos: ABB University, FANUC Academy.
• Comunidades: Reddit r/robotics, Stack Exchange Robotics.

Apêndice C · Standards principais

• ISO 10218-1/2: segurança industrial.
• ISO/TS 15066: cobots.
• ISO 9283: performance e teste.
• EN ISO 13849: PL de segurança.
• ISO 8373: vocabulário.