Mecanismo do braço robótico: como funciona e o papel do servomotor

O braço robótico está entre os desenvolvimentos mais avançados da automação e ocupa o centro dessa revolução na indústria. Para entender como ele executa movimentos precisos e repetíveis, é preciso conhecer dois elementos: o mecanismo do braço robótico e o servomotor que o aciona.

Neste artigo, você vai ver como funciona esse mecanismo, quais são os seus cinco componentes e por que o servomotor é decisivo para a precisão.

Principais conclusões do artigo

• O braço robótico é um manipulador programável que imita os movimentos do braço humano e é usado em tarefas como soldagem, furação, pintura e manuseio de peças.
• São cinco os componentes de um braço robótico: controladores, braços, efetuador (end effector), acionamentos (drives) e sensores.
• O servomotor é um servomecanismo de malha fechada: ele usa realimentação (feedback) de posição para corrigir desvios em tempo real, o que garante alta precisão.
• Existem sete tipos principais de braços robóticos, do cartesiano ao colaborativo (cobot), cada um indicado para movimentos e aplicações diferentes.
• Além da robótica, o servomotor está presente em esteiras transportadoras, câmeras, veículos robóticos e sistemas de rastreamento solar.

O mecanismo do braço robótico é o conjunto de articulações, componentes e controles que permite ao equipamento se mover de forma programada e imitar os movimentos de um braço humano. Ele reúne conhecimentos de engenharia mecânica e elétrica, teoria de controle, computação e até inteligência artificial.

Um robô é um agente virtualmente inteligente, capaz de executar tarefas de forma automatizada mediante alguma orientação. Em essência, trata-se de um dispositivo eletromecânico controlado por programação eletrônica e computacional. Existem três tipos de robôs: autônomos, semiautônomos e controlados remotamente.

Os robôs são indicados para as chamadas tarefas sujas, monótonas e perigosas. O braço robótico é um manipulador que imita os movimentos do braço humano e, em geral, pode ser programado.

O braço robótico pode ser empregado em muitas operações, como soldagem, paletização, pintura por pulverização e diversas outras.

Um dos principais objetivos no desenvolvimento do braço robótico é viabilizar sua interação com o ambiente ao redor, uma conexão que geralmente se estabelece por meio de garras de preensão ou outros efetuadores. Para isso, sua estrutura conta com múltiplas articulações análogas às do corpo humano, como o ombro, o cotovelo, o punho e até mesmo os dedos.

Um braço robótico é formado por cinco componentes principais: controladores, braços, efetuador (end effector), acionamentos (drives) e sensores. Cada um cumpre uma função específica, e é a integração entre eles que permite ao equipamento executar tarefas complexas com precisão e segurança.

Controladores

É o cérebro do braço robótico. O programa que comanda todo o robô fica armazenado no controlador. Um técnico escreve o código e o insere no controlador. Dependendo do grau de sofisticação, alguns processadores podem ser autônomos: uma vez programados, executam as demais tarefas por conta própria. Os controladores variam desde modelos simples, como joysticks, até equipamentos complexos, como os utilizados na indústria pesada.

Braços

São os componentes essenciais e também os que ocupam mais espaço. O braço é formado por três partes: punho, cotovelo e ombro. Todas funcionam como articulações, o que confere grande flexibilidade para se mover livremente em qualquer direção.

Além de avançar, recuar, subir e descer, o braço também gira e rotaciona. Em conjunto, essas três partes permitem que a máquina realize as tarefas para as quais foi criada.

Efetuador (end effector)

É a parte que, na maioria das vezes, tem o formato de duas garras que imitam os dedos. Cabe ao efetuador final executar as ações de agarrar, puxar, levantar e abaixar. Em alguns casos, é extremamente potente, capaz de erguer objetos mais pesados do que o próprio braço. Ele abre e fecha sob comando e é muito versátil, podendo se deslocar em qualquer direção e girar ao mesmo tempo.

Acionamentos (drives)

São os motores responsáveis pelo movimento dos diversos componentes do braço robótico. Ficam posicionados entre as articulações e trabalham de forma independente, em velocidades variadas, para movimentar o braço na direção solicitada pelo controlador. Para isso, contam com correias que deslocam os componentes na velocidade necessária, mais rápida ou mais lenta.

Sensores

Esses componentes sofisticados são responsáveis por reconhecer o espaço ao redor do robô. Os sensores robóticos identificam a presença de obstáculos próximos e enviam essas informações ao controlador, permitindo que o braço evite colisões. É graças a isso que os robôs conseguem operar lado a lado de pessoas, sem que ocorram acidentes.

A servomecânica é a área que estuda os servomecanismos, ou seja, mecanismos especializados de controle por realimentação (feedback). Robôs, motores, sistemas de direção e outros dispositivos mecânicos são todos controlados por servomecanismos, e a robótica faz amplo uso deles.

Com base nos dados dos sensores, o controlador do robô pode instruir um servomecanismo a se mover de determinadas maneiras. Quando conectados e coordenados por um computador avançado, vários servomecanismos são capazes de realizar tarefas complexas, como preparar alimentos, por exemplo.

Um sistema servo é um conjunto de servomecanismos, com o hardware e a eletrônica associados, projetado para cumprir uma finalidade específica. Esses sistemas executam tarefas mecânicas precisas e, muitas vezes, repetitivas.

Um drone, por exemplo, pode ser programado para decolar, cumprir uma missão, retornar e pousar. Sistemas servo também trabalham em linhas de montagem e em outras funções que exigem precisão, resistência e movimentos repetidos.

O servomotor de um braço robótico é o dispositivo que converte movimento rotacional em movimento linear de forma precisa e eficaz, garantindo o posicionamento exato das articulações. É ele que permite ao braço alcançar e manter cada posição com exatidão.

O servomotor de um braço robótico é composto por:

• Conjunto eletrônico: formado por um potenciômetro, uma placa controladora e um motor elétrico CA ou CC.
• Carcaça: feita de plástico, abriga o servomotor e os demais componentes.
• Engrenagens de transmissão: convertem a saída de alta velocidade do servomotor em uma saída de menor velocidade e maior torque.
• Eixo de saída (output spline): acoplado ao eixo de acionamento, é o último ponto de contato entre o servo e o objeto que ele movimenta.

Um servomotor funciona por realimentação: um controlador envia um sinal, o motor se move, um sensor informa a posição real e o sistema corrige qualquer desvio até atingir a posição desejada. Esse ciclo é o que garante a precisão do movimento.

Na prática, um controlador de movimento envia um sinal ao servo, cuja rotação varia conforme a modulação por largura de pulso (PWM, Pulse Width Modulation) do sinal de entrada. Em repouso, o eixo de saída costuma ficar a 0°. Com uma largura de pulso de 1,5 milissegundo (ms), considerando uma frequência de pulso prevista de 20 ms, o eixo gira 90° em uma direção. Com 2 ms, continua girando mais 90°, chegando a 180°; com 1 ms, gira no sentido contrário e retorna a 0°.

O potenciômetro monitora continuamente a posição do eixo de saída. Quando ele alcança a posição desejada, a alimentação do servomotor é interrompida, e o servo mantém essa posição até receber nova instrução, atuando de forma ativa para não sair do lugar.

O funcionamento proporcional dos servos é um aspecto fundamental: o servomotor gira apenas na velocidade necessária para sair da posição atual e chegar à solicitada. Se estiver parado a 180° e precisar ir até 0°, gira muito rápido; se estiver em um ponto mais próximo de 0°, gira bem mais devagar.

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Os servomecanismos oferecem seis vantagens principais em braços robóticos: alta densidade de torque, flexibilidade, controle de alta precisão, programabilidade, durabilidade e segurança.

Alta densidade de torque

Para que um braço robótico seja rápido e altamente reativo, são necessários servomotores avançados e velozes. Torque é o termo que descreve a rápida liberação de energia usada para produzir movimentos ágeis.

Nos braços robóticos, esse torque é altíssimo, o que explica a eficiência produtiva excepcional desses equipamentos.

Flexibilidade

Os motores de braços robóticos são uma força confiável na produção, já que cada componente pode se mover de forma independente dos demais, em todas as direções.

Os modelos mais sofisticados giram 360 graus sem travar e chegam a seis graus de liberdade. Essa independência os torna rápidos e adaptáveis para as mais diversas atividades.

Controle de alta precisão

Equilibrar velocidade e controle é extremamente difícil para qualquer máquina, mas os motores de braços robóticos dominaram essa combinação ao longo de anos de desenvolvimento. A programação moderna aumenta a velocidade sem abrir mão da precisão. É assim que executam tarefas complexas em velocidades impressionantes, sem cometer erros.

Programabilidade

A possibilidade de programação é outro atributo que agrega valor. Por não serem máquinas fixas, os braços robóticos não precisam operar sempre no mesmo padrão. Conforme as demandas do processo produtivo, é possível fazer ajustes a qualquer momento. Com uma simples alteração no programa, um braço usado para pegar e carregar peças pode se transformar em um robô de soldagem e passar a operar em ritmo mais acelerado.

Durabilidade

Os motores de braços robóticos são feitos para durar e, com a manutenção adequada, funcionam por muitos anos sem gerar custos extras. Diante da grande quantidade de peças móveis, o braço robótico é construído com os materiais certos para minimizar o desgaste. Em média, ele tem vida útil garantida de 35 mil horas de uso contínuo.

Segurança

Ao contrário do que muitos pensam, são os equipamentos mais seguros que se pode ter em uma fábrica. Graças a tecnologias de ponta, como os sensores, eles conseguem tomar decisões precisas em frações de segundo para evitar acidentes. É por isso que houve uma queda expressiva no número de acidentes no setor industrial desde que a automação se tornou padrão.

Entre eles, os robôs colaborativos (cobots) vêm ganhando espaço na Indústria 4.0 por combinarem segurança, facilidade de programação e menor custo total de aquisição em comparação aos robôs industriais tradicionais.

- Leia também: 10 razões para investir em robôs colaborativos

Além dos braços robóticos, o servomotor é usado em esteiras transportadoras, câmeras, veículos robóticos e sistemas de rastreamento solar.

Robótica e pick and place

A robótica é uma das aplicações mais difundidas do servomotor. Um robô de pick and place (pegar e posicionar) é um dispositivo usado para pegar um objeto em um lugar e depositá-lo em outro. Os servomotores acionam as articulações para levar o objeto da posição A até a posição B, planejando o movimento angular de cada junta.

Esteiras transportadoras

Em fábricas de produção e montagem, as esteiras deslocam objetos de uma estação a outra. No envase de uma garrafa, por exemplo, ela precisa ser preenchida antes de seguir para a embalagem. Esteiras equipadas com robôs de servomotor levam a garrafa exatamente até o ponto certo, param, permitem o preenchimento e a encaminham para a etapa seguinte, tudo graças à capacidade do eixo do servo de regular sua posição com precisão.

Câmeras

As câmeras digitais modernas focam automaticamente no objeto a ser fotografado. Depois que a imagem é gerada, o processador de sinal digital avalia sua nitidez. Se a distância focal estiver incorreta, a imagem fica desfocada; um servomotor de altíssima precisão instalado na câmera corrige a posição exata da lente para que a foto saia o mais nítida possível.

Veículos robóticos

Os servomotores são usados nas rodas de veículos robóticos modernos, empregados em aplicações militares e industriais complexas. Como o servo utilizado é de rotação contínua, o que importa não é o movimento angular, mas a capacidade de fornecer torque suficiente para tirar o veículo da inércia e freá-lo com rapidez. A velocidade de deslocamento também pode ser ajustada.

Sistemas de rastreamento solar

À medida que a sociedade migra para energia limpa e renovável, a geração solar ganha importância. Antigamente, os painéis eram estáticos. Como a posição do Sol muda ao longo do dia, painéis fixos não aproveitam o máximo de energia disponível. Servomotores ajustam o ângulo dos painéis para acompanhar o Sol, aumentando a captação de energia.

À medida que novas tecnologias surgem, o funcionamento por trás de um braço robótico se torna cada vez mais complexo, e o servomotor segue no centro dessa evolução, garantindo a precisão que a automação exige. Em breve, chegará o dia em que a automação estará totalmente incorporada a todas as áreas da manufatura.

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