STEM Coding Ultimate AI Add On: Industrial Robots

Experiência prática em robótica industrial no ensino

Com este conjunto de aprendizado, os alunos mergulham profundamente no mundo da robótica industrial e se preparam de forma direcionada para as exigências do mercado de trabalho atual. Eles montam de forma independente dois robôs de seis eixos realistas e adquirem conhecimentos básicos em sua programação. Por meio dessa abordagem prática, não apenas o conhecimento técnico é transmitido, mas também são desenvolvidas competências práticas valiosas que vão além da teoria pura.

Faixa etária

Escola de Ensino Médio

Número de alunas e alunos

2-4 por sistema modular

Objetivos de aprendizagem

Numérica, lógica, desenvolvimento de estratégias de solução, pensamento computacional, estudo dos elementos básicos do processamento de informações (princípio EVA - sensores, processamento, atuadores), programação, tecnologia da informação

Tempo necessário

Para a construção do modelo, os alunos precisam de aproximadamente 120 minutos. Para cada subtarefa do manual de operação, devem ser planejados de 60 a 90 minutos.

Informações sobre o produto

Material didático acompanhante

Temas

Estrutura e funcionamento de um robô industrial, conceitos básicos de robótica

Modelagem e cálculo do comportamento de condução, navegação por impulsos do motor, controle por pontos

Descrição matemática da cinemática e cinética de robôs. Cinemática e dinâmica de movimentos lineares.

Sistemas de coordenadas

Compreender e utilizar sensores e atuadores

Programação: estruturas de programa (loops e condições, variáveis), reutilização de partes do programa, depuração

Programação Teach-In

Componentes do robô: garra de preensão, ventosa de vácuo
Objetivos de aprendizagem

Competência processual: resolver problemas, ser criativo.

Competência matemática e informática: numérica, lógica, desenvolvimento de estratégias de solução, pensamento computacional.

Competência pessoal e social: encontrar soluções em equipe.

Competência linguístico-comunicativa: elaboração de termos técnicos, descrição lógica de relações

Competência de conteúdo: trabalho com elementos básicos do processamento de informações (princípio EVA - sensores, processamento, atuadores), programação, tecnologia da informação
Tempo necessário

Para a montagem do modelo, os alunos precisam de cerca de 120 minutos.

Para cada tarefa parcial do manual de operação, devem ser planejados 60-90 minutos.

Introdução aos robôs industriais

Robôs industriais se tornaram uma parte integral da indústria moderna de manufatura. Eles são principalmente utilizados em fábricas para realizar tarefas repetitivas rapidamente e com alta precisão. Nesta introdução, analisaremos sua estrutura e funcionalidade básica. Também examinaremos a história do seu desenvolvimento e descobriremos por que os robôs industriais se tornaram indispensáveis em muitas indústrias hoje.

Robôs industriais consistem em um braço robótico que possui várias articulações. Um movimento simples para nós humanos requer, em um robô, uma programação altamente complexa e o controle de vários eixos. Basicamente, o número e a disposição das articulações podem variar conforme o modelo do robô. No entanto, os robôs articulados com seis eixos ou graus de liberdade são os mais comuns. O número de graus de liberdade indica quantas possibilidades independentes de movimento o braço robótico possui. Com seis graus de liberdade, o robô pode alcançar qualquer ponto no espaço com qualquer orientação. Para alcançar o ponto, são necessários três graus de liberdade (ou seja, as coordenadas x, y e z) e para alcançar qualquer orientação, mais três graus de liberdade (ou seja, a inclinação nas direções x, y e z). A estrutura e a programação de um robô de 6 eixos como este também serão apresentadas neste kit de construção.

Além disso, existem várias outras formas de robôs industriais para aplicações especiais, como os robôs SCARA e Delta, que se movem muito rapidamente, ou robôs de cabo para áreas de trabalho especialmente grandes.

Figura 1: Robô industrial com eixos

As articulações de um robô industrial geralmente são acionadas por motores elétricos potentes, pois os robôs industriais frequentemente levantam peças pesadas ou ferramentas. Um sistema de medição de percurso registra a posição atual de cada articulação individual, e um controle especial aciona os motores elétricos de modo que o robô se mova até o ponto desejado com a velocidade desejada. Além disso, os robôs industriais são equipados com uma variedade de sensores, de modo que possam perceber seu ambiente e executar suas tarefas com segurança e precisão. Dependendo da aplicação, são usados câmeras, sensores táteis, sensores de força ou sensores de medição de distância.

Na extremidade do braço do robô encontra-se a ferramenta, que pode variar conforme a aplicação:

Movimentação de peças: garras mecânicas, garras de vácuo
União de peças: prensa, pinça de solda, pistola de cola
Montagem: parafusadeira
Medição de peças: sistema de medição a laser, câmera

Figura 2: Ferramentas Robô Industrial

Alguns robôs são até capazes de trocar sua ferramenta automaticamente e de forma autônoma. Para fornecer energia às ferramentas, os robôs industriais normalmente dispõem de conexões elétricas ou de uma conexão ao sistema de ar comprimido. O robô industrial modular possui um garra de vácuo e pode, além disso, ser adaptado para um garra pneumático.

Dependendo da aplicação específica, os robôs industriais podem executar diferentes movimentos, desde movimentos lineares, movimentos rotativos até padrões de movimento complexos. O chamado trajeto, ou seja, a posição da ferramenta ao longo do tempo, bem como a velocidade, são definidos durante a programação do robô.

Robôs industriais são controlados por instruções pré-programadas, chamadas de programas de robô. Esses programas são desenvolvidos por técnicos e engenheiros e contêm uma sequência de comandos que controlam o braço do robô e outros componentes. A programação pode ser feita em diferentes níveis lógicos: em linguagens de baixo nível, como o G-Code, as coordenadas alvo individuais são programadas, que o robô percorre uma após a outra. A programação Teach-In simplifica a programação do robô, permitindo que um colaborador inicialmente mova o robô às posições desejadas usando um controle remoto e as salve (“teachen”). Em seguida, o robô pode repetir autonomamente as sequências de posições aprendidas. Com software moderno, os robôs industriais também podem ser simulados e programados em um ambiente virtual, e o programa só é carregado no robô posteriormente. Essa chamada programação offline oferece a vantagem de que o robô pode executar outra tarefa simultaneamente, mantendo-se produtivo. Neste material de apoio, conheceremos as etapas individuais desde o controle de um único eixo até a programação Teach-In.

Figura 3: Controle TeachIn

Em diversas versões, os robôs industriais são utilizados em muitas áreas:

Indústria automobilística: Graças aos robôs industriais, a construção da carroceria e a pintura na fabricação de automóveis são quase totalmente automatizadas. Eles são usados, por exemplo, para soldar peças da carroceria, aplicar vedantes ou pintar. O uso de robôs aumenta a eficiência, a precisão e a velocidade da produção, melhorando assim a qualidade do produto e a capacidade produtiva. Ao mesmo tempo, os robôs industriais aliviam os trabalhadores humanos, assumindo o levantamento de cargas pesadas e evitando que as pessoas sejam expostas diretamente a vapores tóxicos durante a soldagem.
Indústria eletrônica: Na indústria eletrônica, os robôs industriais são usados para fabricar componentes eletrônicos ou montar placas de circuito. Seu uso permite um manuseio rápido e preciso dos minúsculos componentes, o que leva a um aumento da produtividade e da qualidade. Além disso, os robôs também podem ser utilizados na inspeção automática e no controle de qualidade dos componentes eletrônicos.
Indústria alimentícia: Os robôs industriais são usados na indústria alimentícia para o processamento e embalagem de alimentos. Isso possibilita a criação de um ambiente de trabalho estéril e livre de contaminação, melhorando a higiene e, consequentemente, a qualidade dos alimentos.
Tecnologia médica e indústria farmacêutica: Eles eliminam o risco de contaminação microbiana e a exposição dos funcionários à radiação, além de racionalizar os processos em ambientes de desenvolvimento farmacêutico e de medicamentos.
Logística e armazenamento: No setor de logística e armazenamento, os robôs industriais podem ser usados na separação, embalagem e transporte de mercadorias. Os robôs podem levantar e mover cargas pesadas, reduzindo a carga de trabalho dos funcionários e o risco de lesões. Além disso, por meio de processos automatizados, eles podem aumentar a eficiência nos armazéns e reduzir os prazos de entrega.

Vamos resumir novamente os motivos pelos quais os robôs industriais se tornaram indispensáveis em tantos setores atualmente:

Produtividade aprimorada: Robôs industriais podem executar tarefas repetitivas mais rapidamente e de forma contínua do que os humanos. Eles não apresentam fadiga e podem operar 24 horas por dia, aumentando a velocidade de produção e o desempenho geral de uma linha de fabricação.
Precisão e qualidade: Robôs industriais são capazes de realizar tarefas com precisão extraordinária, o que resulta em melhor qualidade do produto. Seus movimentos são reproduzíveis e exatos, levando a menores taxas de erro e rejeição.
Segurança: O uso de robôs industriais pode assumir tarefas perigosas ou prejudiciais à saúde dos humanos. Isso inclui, por exemplo, levantar cargas pesadas ou lidar com substâncias perigosas. Assim, os colaboradores são fisicamente aliviados, os acidentes de trabalho são reduzidos e a segurança no local de trabalho é melhorada.
Flexibilidade: Robôs industriais podem ser adaptados para diferentes tarefas e requisitos de produção. Alterando a programação e trocando ferramentas, eles também podem executar novas tarefas de forma eficiente, proporcionando alta flexibilidade na produção.
Economia de custos: Embora os custos iniciais para robôs industriais possam ser altos, o investimento em um robô industrial pode levar a economias significativas a longo prazo. Robôs industriais reduzem a necessidade de mão de obra humana e sua precisão diminui os custos decorrentes de erros. Por esses fatores, o uso de um robô industrial pode ser financeiramente vantajoso para uma empresa.

Até que os robôs industriais se tornassem uma parte indispensável das fábricas modernas, olhamos para uma história de desenvolvimento de 70 anos.

O nascimento dos robôs industriais ocorreu na década de 1950, quando George Devol e Joseph Engelberger fundaram a primeira empresa de robótica do mundo, a „Unimation“, e desenvolveram o primeiro robô industrial chamado „Unimate". O Unimate foi utilizado em 1961 em uma fábrica de automóveis nos EUA para retirar e separar peças moldadas por injeção. Com essa inovação, o Unimate revolucionou a fabricação automotiva e abriu novas possibilidades para a automação dos processos produtivos.

Nas décadas seguintes, os robôs industriais foram continuamente aprimorados e utilizados mundialmente. Na década de 1970, surgiram sistemas de controle mais avançados baseados em microprocessadores, que até hoje formam a base do controle moderno de robôs. Durante os anos 1980, os robôs industriais tornaram-se mais flexíveis e desde então podem realizar diversas tarefas como montagem, pintura e manuseio de materiais.

Com o avanço tecnológico, os robôs industriais tornaram-se cada vez mais inteligentes e potentes. Possibilidades ampliadas de programação permitem que eles executem tarefas mais complexas e se adaptem a requisitos de produção variáveis. O desenvolvimento dos robôs industriais é impulsionado especialmente pelo uso de sensores avançados para percepção do ambiente e inteligência artificial.

Assim, o campo de pesquisa da colaboração homem-robô se dedica à questão de como os robôs podem trabalhar com segurança junto aos humanos. Enquanto os robôs industriais geralmente operam em áreas isoladas, o uso de sensores sensíveis ao toque e câmeras visa reduzir a distância para seus colegas humanos. A segurança no local de trabalho, naturalmente, tem a mais alta prioridade.

Outro campo de pesquisa trata da questão de como robôs industriais podem aprender movimentos de forma autônoma e se tornar menos dependentes de padrões rigidamente programados. Apesar de sua superioridade em termos de velocidade, precisão e confiabilidade, os robôs industriais até agora dependem de uma programação exata da sequência de movimentos e, portanto, falham em problemas aparentemente cotidianos para os quais não possuem um programa. Um exemplo conhecido é o "pegar na caixa", onde um robô com uma pinça deve pegar objetos aleatórios de uma caixa.

Como o robô reconhece onde estão os objetos individuais, sem que as posições sejam programadas previamente?
Como o robô pode segurar os objetos com segurança, sem deixá-los cair ao levantá-los?
Quanta força a pinça pode exercerr sem danificar o objeto?

Um ser humano resolveria essas tarefas com suas mãos sensíveis, além de intuição e experiência. Esse princípio os pesquisadores querem transferir para robôs industriais: para isso, eles investigam como robôs podem perceber seu ambiente e reagir a demandas variáveis com a ajuda de sensores adicionais e do uso de inteligência artificial. Assim, os robôs industriais devem se tornar ainda mais inteligentes no futuro e realizar tarefas complexas de forma autônoma.