Quais são os principais fatores usados para classificar os robôs industriais?

Milhões de robôs industriais estão ativos em fábricas da Indústria 4.0 em todo o mundo. Eles são usados para aumentar as taxas de produção, melhorar a qualidade, reduzir custos e apoiar operações mais flexíveis e sustentáveis. Devido à importância dos robôs industriais, a Organização Internacional de Normalização (ISO) desenvolveu a norma 8373:2021, Vocabulário de Robótica, para definir os termos usados em robótica e fornecer uma linguagem comum para discutir os diversos tipos de robôs e suas aplicações.

A Federação Internacional de Robôs (IFR) usou os principais termos definidos na ISO 8373:2021 para identificar seis classificações de robôs com base em sua estrutura mecânica, incluindo:

• Articulado
• Cartesiano
• Cilíndrico
• Paralelo/Delta
• Polar
• SCARA

Este artigo analisa a ISO 8373:2021, examinando os quatro termos principais que definem um robô, concentrando-se na necessidade de reprogramação e nos tipos e números de juntas robóticas usadas pela IFR para desenvolver classificações de robôs. Em seguida, ele se aprofunda nos detalhes e nas nuances de cada classificação de robô e apresenta robôs exemplares de vários fabricantes. Ao longo do caminho, ele também analisa os sistemas chamados robôs que não atendem a todos os requisitos da ISO.

A ISO 8373:2021 define um robô industrial como um "manipulador multiuso, reprogramável e controlado automaticamente, programável em três ou mais eixos, que pode ser fixado no local ou em uma plataforma móvel para uso em aplicações de automação em um ambiente industrial".

A reprogramação é um diferencial crucial. Algumas máquinas industriais podem ter manipuladores e se mover em vários eixos que podem lidar com tarefas específicas, como pegar garrafas em uma linha de envase de bebidas e colocá-las em uma caixa. Mas ela não é um robô se for dedicado a esse único propósito e não for reprogramável. "Reprogramável" é definido na ISO 8373 como "projetado para que os movimentos programados ou as funções auxiliares possam ser alterados sem alterações físicas".

Tipos e números de juntas robóticas

A ISO 8373 define dois tipos de juntas robóticas:

• A junta prismática, ou junta deslizante, é um conjunto entre dois elos que permite que um deles tenha um movimento linear em relação ao outro.
• A junta rotativa, ou junta revoluta, é um conjunto que conecta dois elos e permite que um gire em relação ao outro em torno de um eixo fixo.

A IFR usou essas e outras definições da ISO 8373 para identificar seis classificações de robôs industriais com base em sua estrutura mecânica ou topologia. Além disso, diferentes topologias de robôs têm diferentes números de eixos e, portanto, diferentes números de juntas.

O número de eixos é uma característica fundamental dos robôs industriais. O número de eixos e seus tipos determinam o alcance de movimento do robô. Cada eixo representa um movimento independente ou um grau de liberdade. Mais graus de liberdade resultam em um robô capaz de se mover em espaços maiores e mais complexos. Alguns tipos de robôs têm um número fixo de graus de liberdade, enquanto outros podem ter números diferentes de graus de liberdade.

Os efetuadores finais, também chamados de ferramentas de extremidade do braço (EOAT) ou "manipuladores multiuso" na ISO 8373, são outro elemento importante na maioria dos robôs. Há uma ampla variedade de efetuadores finais, incluindo garras, ferramentas de processo dedicadas, como chaves de fenda, pulverizadores de tinta ou soldadores, e sensores, incluindo câmeras. Eles podem ser pneumáticos, elétricos ou hidráulicos. Alguns efetuadores finais podem girar, dando ao robô outro grau de liberdade.

As seções a seguir começam com a definição da IFR para cada topologia de robô e, em seguida, examinam seus recursos e aplicações.

Os robôs articulados têm três ou mais juntas rotativas.

Essa é uma grande classe de robôs. Os robôs articulados podem ter dez ou mais eixos, sendo que seis são os mais comuns. Os robôs de seis eixos podem se mover nos planos x, y e z e fazer rotações de arfagem, guinada e rolagem, o que lhes permite imitar o movimento de um braço humano.

Eles também estão disponíveis com uma ampla gama de capacidades de carga útil, de menos de 1 kg a mais de 200 kg. A capacidade de alcance desses robôs também varia muito, de menos de 1 metro a vários metros. Por exemplo, o KR 10 R1100-2 da KUKA é um robô articulado de seis eixos com um alcance máximo de 1.101 mm, uma carga útil máxima de 10,9 kg e uma repetibilidade de pose de ±0,02 mm (Figura 1). Ele também apresenta movimentos de alta velocidade, tempos de ciclo curtos e um sistema integrado de fornecimento de energia.

Figura 1: Robô articulado de seis eixos com uma repetibilidade de pose de ±0,02 mm. (Fonte da imagem: DigiKey)

Os robôs articulados podem ser montados permanentemente no chão, na parede ou no teto. Eles também podem ser montados em trilhos no chão ou no alto, em cima de um robô móvel autônomo ou outra plataforma móvel, e movidos entre as estações de trabalho.

Eles são usados para várias tarefas, incluindo manuseio de materiais, soldagem, pintura e inspeção. Os robôs articulados são a topologia mais comum para a implementação de robôs colaborativos (cobots) projetados para trabalhar com humanos. Enquanto um robô convencional opera em uma gaiola de segurança com barreiras, um cobot é projetado para interação próxima com as pessoas. Por exemplo, o cobot LXMRL12S0000 da Schneider Electric tem um alcance máximo de 1.327 mm, uma carga útil máxima de 12 kg e uma repetibilidade de pose de ±0,03 mm. Os cobots geralmente apresentam proteção contra colisão, bordas arredondadas, limites de força e peso mais leve para aumentar a segurança.

O robô cartesiano (às vezes chamado de robô retangular, robô linear ou robô de pórtico tipo gantry) tem um manipulador com três juntas prismáticas cujos eixos formam um sistema de coordenadas cartesianas.

Os robôs cartesianos modificados estão disponíveis com duas juntas prismáticas. Ainda assim, eles não atendem ao requisito da ISO 8373 de que devem ser "programáveis em três ou mais eixos" e, portanto, não são tecnicamente robôs.

Há mais de uma maneira de configurar três juntas prismáticas e, portanto, mais de uma maneira de configurar um robô cartesiano. Em uma topologia cartesiana básica, todas as três articulações estão em ângulos retos, com uma se movendo no eixo x, presa a uma segunda que se move no eixo y, que está presa a uma terceira que se move no eixo z.

Embora seja frequentemente usado como sinônimo de um robô cartesiano, a topologia gantry não é idêntica. Como um cartesiano básico, os robôs gantry suportam movimentos lineares no espaço tridimensional. Mas os robôs gantry são configurados com dois trilhos de base no eixo x, um trilho de suporte no eixo y que abrange os dois eixos x e um eixo z com cantiléver preso ao eixo y. Por exemplo, o DLE-RG-0012-AC-800-800-500, da Igus, é um robô gantry com uma área de trabalho de 800 mm x 800 mm x 500 mm que pode carregar até 5 kg e se mover a até 1,0 m/s com uma repetibilidade de ±0,5 mm (Figura 2).

Figura 2: Robô Gantry com espaço de trabalho de 800 mm x 800 mm x 500 mm. (Fonte da imagem: Igus)

O robô cilíndrico tem um manipulador com pelo menos uma junta rotativa e pelo menos uma junta prismática, cujos eixos formam um sistema de coordenadas cilíndricas.

Os robôs cilíndricos são relativamente simples e compactos, e sua gama limitada de movimentos os torna fáceis de programar. Eles são menos comuns do que seus primos mais complexos. Ainda assim, eles são especialmente adequados para aplicações como processos de retificação, paletização, soldagem (especialmente soldagem por pontos) e manuseio de materiais, por exemplo, carregamento e descarregamento de lâminas semicondutoras em cassetes em uma operação de fabricação de circuitos integrados (Figura 3).

Figura 3: Esse robô cilíndrico tem uma junta rotativa e uma prismática. (Fonte da imagem: Association for Advancing Automation)

Os robôs cilíndricos normalmente se movem a velocidades de 1 a 10 m/s e podem ser projetados para transportar cargas pesadas. As aplicações para robôs cilíndricos podem ser encontradas nos setores automotivo, farmacêutico, de alimentos e bebidas, aeroespacial, eletrônico e outros.

O robô paralelo/delta é um manipulador cujos braços têm elos que formam uma estrutura de malha fechada.

Enquanto outros robôs, como os de topologia cilíndrica ou cartesiana, recebem o nome de seu movimento, o robô delta recebe o nome de sua forma triangular invertida. Os robôs Delta têm de 2 a 6 eixos, sendo que os designs de 2 e 3 eixos são os mais comuns. Assim como os robôs cartesianos de 2 eixos, os robôs delta de 2 eixos não atendem tecnicamente aos requisitos da ISO 8373 para serem chamados de robôs.

Os robôs Delta são projetados para ter velocidade em vez de força. Eles são montados acima da área de trabalho e executam funções como pick-and-place, classificação, desmontagem e embalagem. Eles geralmente são encontrados acima de um transportador, movendo peças em uma linha de produção. A garra é conectada a elos mecânicos longos e finos. Essas conexões levam a três ou quatro grandes motores na base do robô. A outra extremidade das articulações é presa a uma placa de ferramentas onde o EOAT é fixado.

O RBTX-IGUS-0047 da Igus é um exemplo de robô delta de 3 eixos. Ele tem um diâmetro de espaço de trabalho de 660 mm e pode suportar uma carga máxima de 5 kg. Ao manusear uma carga de 0,5 kg, ele pode realizar 30 coletas por minuto com uma velocidade máxima de 0,7 m/s e uma aceleração de 2 m/s². Ele tem uma repetibilidade de ±0,5 mm (Figura 4).

Figura 4: Robô delta de três eixos e controlador (esquerda). (Fonte da imagem: DigiKey)

O robô polar (robô esférico) é um manipulador com duas juntas rotativas e uma junta prismática, cujos eixos formam um sistema de coordenadas polares.

Uma das juntas rotativas permite que um robô polar gire em torno do eixo vertical que se estende para cima a partir da base. A segunda junta rotativa está em ângulo reto com a primeira junta rotativa e permite que o braço do robô oscile para cima e para baixo. Por fim, a junta prismática permite que o braço do robô se estenda ou se retraia do eixo vertical.

Os robôs polares, embora simples em sua construção, têm desvantagens que limitam seu uso em comparação com outras topologias, como robôs articulados, cartesianos e SCARA:

• O sistema de coordenadas esféricas torna a programação mais complexa.
• Normalmente, eles têm uma capacidade de carga útil mais limitada do que outros tipos de robôs.
• Eles são mais lentos do que os outros robôs.

As principais vantagens dos robôs polares incluem um grande espaço de trabalho e alta precisão. Eles são usados para o manuseio de máquinas operatrizes, operações de montagem, manuseio de materiais em linhas de montagem automotivas e soldagem a gás e a arco.

O robô SCARA (de "braço de conformidade seletiva para montagens robóticas") é um manipulador com duas juntas rotativas paralelas para proporcionar conformidade em um plano selecionado.

Um robô SCARA básico tem três graus de liberdade, sendo o terceiro de um efetuador final rotativo. Os robôs SCARA também estão disponíveis com uma junta rotativa adicional para um total de quatro graus de liberdade, permitindo movimentos mais complexos.

Os robôs SCARA costumam ser usados em aplicações de pick-and-place ou de montagem em que são necessárias alta velocidade e alta precisão. Por exemplo, o M1-PRO da Dobot é um robô SCARA de 4 eixos com um raio de trabalho de 400 mm, uma carga útil máxima de 1,5 kg e uma repetibilidade de ±0,02 mm. Ele tem detecção de colisão sem sensor e programação de arrastar e soltar, o que o torna adequado para uso como cobot e também como robô autônomo (Figura 5).

Figura 5: Robô SCARA de quatro eixos com repetibilidade de ±0,02 mm. (Fonte da imagem: DigiKey)

Conclusão

Todos os robôs industriais atendem ao requisito da ISO 8373 de serem controlados automaticamente com um manipulador reprogramável e multifuncional. No entanto, nem todo projeto tem um número definido de eixos para uma topologia específica. Os robôs delta e cartesianos estão disponíveis com menos do que o número definido de eixos, enquanto alguns robôs SCARA têm mais eixos do que o definido pela IFR.