UC02944 · Robótica industrial

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: - Pinças, ferramentas perigosas. - Cargas pesadas. - Trajectórias. - Velocidade. 2. Estimar risco. 3. Aplicar medidas: - Engenharia (jaulas, barreiras, cobots). - Procedimentos (LOTO, treino). - EPI (mínimo, complementar). 4. 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.