Avaliação de Desempenho de Robôs Industriais

Introdução

A avaliação de desempenho de um robô industrial tem como objetivo verificar a capacidade do robô desenvolver as funções para as quais foi construído. Em grande parte, os robôs industriais são máquinas construídas para movimentar materiais, peças, ferramentas e dispositivos. Com uma avaliação de desempenho, pretende-se ter uma medida da eficácia do robô na realização desses movimentos.

Neste capítulo, após definir os parâmetros utilizados para quantificar a eficácia com que um robô executa uma tarefa, destaca-se a importância e a utilização da avaliação de desempenho, descrevem-se as características para esta avaliação estabelecidas em normas internacionais, as condições de teste normalizadas e apresenta-se uma orientação para a seleção das características de desempenho a serem testadas para algumas aplicações dos robôs.

Adicionalmente, descrevem-se os procedimentos para a realização de testes comparativos entre robôs diferentes e indicam-se os métodos de medição recomendados pelas normas para a avaliação de desempenho.

Uma medida da eficácia com que um robô realiza os movimentos inerentes a uma tarefa é a exatidão com que esses movimentos são realizados. Como os robôs industriais desenvolvem movimentos repetitivos, outra medida importante é sua repetitividade, ou seja, sua capacidade de repetir o mesmo movimento. Além disso, o comportamento do robô durante seus movimentos, ou seja, seu desempenho dinâmico, também é uma informação importante para avaliar sua eficácia na execução de uma tarefa.

Em vista disso, pode-se dizer que a avaliação de desempenho de um robô industrial é a verificação da sua exatidão, da sua repetitividade e de seu desempenho dinâmico no desenvolvimento de uma tarefa.

A exatidão, a repetitividade e o desempenho dinâmico de um robô determinam se ele é adequado à execução de uma tarefa. Ou seja, através destes parâmetros, obtidos na avaliação de desempenho, pode-se verificar a adequação de um robô para a realização de uma tarefa industrial. Além disso, comparando os respectivos desempenhos, pode-se selecionar o robô mais apropriado para uma tarefa.

A avaliação de desempenho pode auxiliar ainda na escolha entre robôs de diferentes fabricantes, sempre que é possível comparar as avaliações realizadas pelos fabricantes.

Avaliar o desempenho de um robô é importante também na sua aceitação em um ambiente industrial. Escolhido a partir das exigências da tarefa e das especificações do fabricante, é fundamental que no recebimento do robô essas especificações sejam avaliadas.

Além disso, durante o funcionamento do robô podem ocorrer desgastes que alteram suas características. Por isso, avaliações de desempenho ao longo do tempo podem assegurar que o funcionamento do robô continua adequado para a realização de uma determinada tarefa. E mais, dificuldades verificadas na avaliação de desempenho podem facilitar a manutenção.

A exatidão, a repetitividade e o desempenho dinâmico do robô são definidos a partir da interface mecânica existente na extremidade do robô, onde são fixadas as ferramentas e os dispositivos empregados na execução das tarefas (veja figura 5.1-b). A posição desta interface geralmente é dada em termos de três coordenadas cartesianas e sua orientação através de três ângulos.

De acordo com a norma ISO 9787, a representação da orientação da extremidade do robô é feita através dos ângulos “a”, “b” e “c”, respectivamente em torno dos eixos “x”, “y” e “z”, cujo sentido positivo está indicado na figura 5.1-a.

O conjunto formado pelas três coordenadas cartesianas e pelos três ângulos é definido como postura. A figura 5.1-b mostra os sistemas de coordenadas fixados na base do robô (x1, y1, z1) e na interface mecânica (xm, ym, zm) de acordo com a norma ISO 9787. Neste caso, a postura da interface mecânica é formada pelas três coordenadas cartesianas da origem do sistema (xm, ym, zm) em relação ao sistema da base (x1, y1, z1), e pelos três ângulos em torno dos eixos x1, y1, e z1 que determinam a orientação do sistema (xm, ym, zm).

A avaliação de desempenho é uma medida da eficácia com que o robô realiza tarefas com as ferramentas fixadas à sua interface mecânica. Por isso, essa avaliação é feita em relação a um ponto de medição, colocado a uma distância da interface mecânica para levar em conta as dimensões da ferramenta (veja figura 5.2). Nesse ponto de medição é fixado um sistema de coordenadas cuja postura é o foco da avaliação de desempenho do robô.

A postura do ponto de medição é o resultado da combinação das posições de suas juntas. Por isso, a exatidão, a repetitividade e o desempenho dinâmico em uma dada postura são, respectivamente, combinações da exatidão, da repetitividade e do desempenho dinâmico de cada uma de suas juntas. A influência de cada junta nessa combinação varia ao longo do espaço de trabalho do robô. Devido a isso, a exatidão, a repetitividade e o desempenho dinâmico de um robô industrial variam dentro do seu espaço de trabalho.

As características de desempenho também variam com a velocidade e com a carga aplicada na interface mecânica do robô.

Por isso, para avaliar o desempenho de um robô e compará-lo com o desempenho de outro, é preciso conhecer as condições de teste utilizadas na avaliação de cada uma das características.

Existem fabricantes que desenvolveram condições de teste próprias. Há outros que adotam testes definidos nas normas americanas, estabelecidas pelo American National Standards Institute (ANSI). Outros empregam a norma internacional estabelecida pela International Organization for Standardization (ISO).

Os resultados variam muito de uma norma para outra porque as condições de teste são diferentes e porque as fórmulas para calcular os resultados são diferentes. Para os mesmos dados de postura, por exemplo, as fórmulas empregadas nas normas americanas (ANSI) dão como resultado uma exatidão maior do que as da ISO. Já a repetitividade calculada segundo a ANSI é sempre menor do que a calculada de acordo com a ISO.

As normas americanas (ANSI) são voltadas principalmente à comparação de desempenho entre robôs de diferentes fabricantes. Compreendem dois volumes: a R15.05-1, que define métodos para avaliar o desempenho estático dos robôs industriais, e a R15.05-2, que estabelece métodos para avaliar o desempenho dinâmico.

Em nosso país, a Associação Brasileira de Normas Técnicas adota as normas ISO; por isso, apresentam-se aqui mais detalhadamente os testes recomendados por essa instituição.

A ISO estabelece que a avaliação de desempenho deve ser realizada de acordo com a norma ISO 9283:1998 (Second edition) – “Manipulating Industrial Robots – Performance Criteria and Related Methods”.

Os testes descritos nesta norma internacional permitem a avaliação de desempenho de robôs individuais e a comparação do desempenho entre robôs diferentes.

Segundo a norma ISO 9283:1998, a exatidão de um robô industrial é avaliada medindo-se a:

• Tendência de postura;
• Variação multidirecional na tendência de postura;
• Tendência de distância;
• Tendência de percurso.

A repetitividade é quantificada através da:

• Repetitividade de postura;
• Repetitividade de distância;
• Repetitividade de percurso.

Os desvios na exatidão e na repetitividade ao longo do tempo são medidos pelo:

• Deslocamento das características de postura.

As variações na exatidão e na repetitividade entre robôs do mesmo modelo são caracterizadas pela:

• Intercambiabilidade.

A avaliação do desempenho dinâmico é realizada através do:

• Tempo de estabilização;
• Sobrepasso;
• Desvios de canto;
• Velocidades no percurso;
• Tempo mínimo de posicionamento.

A norma ISO 9283:1998 estabelece ainda uma característica para avaliar a flexibilidade do robô denominada de:

• Flexibilidade estática.

As características apresentadas acima podem ser usadas no todo ou em parte para avaliar o desempenho de um robô. A norma não especifica quais delas devem ser empregadas para testar um robô em particular. Apresenta, no entanto, uma orientação para a seleção das características a serem testadas para algumas aplicações típicas, reproduzidas mais adiante neste capítulo.

As grandezas relacionadas acima são descritas com mais detalhes a seguir.

5.2 - Características de Desempenho

A norma ISO 9283:1998 (segunda edição) define características para testar a postura, o percurso, o tempo mínimo de posicionamento e a flexibilidade estática dos robôs industriais.

5.2.1 – Características de Postura

As características de postura são grandezas que quantificam os erros entre uma postura comandada (especificada através da programação do robô) e a respectiva postura atingida (alcançada em resposta à postura comandada com o robô funcionando em modo automático).

Os erros podem ser causados pelo algoritmo de controle, pelas transformações de coordenadas, por diferenças dimensionais entre os componentes do robô e o seu modelo utilizado no sistema de controle, por dificuldades mecânicas como folgas, atrito, histerese, e por influências externas como a temperatura.

Nos robôs industriais, a postura comandada pode ser especificada diretamente no robô mediante a gravação das coordenadas das juntas, através de uma caixa de comando ou de outra entrada manual de dados, e indiretamente através de um método de programação fora de linha. A forma pela qual a postura comandada é especificada influencia diretamente os resultados dos testes e, de acordo com a norma ISO 9283, deve estar claramente descrita no relatório dos testes.

Na figura 5.2 estão mostradas a postura comandada e a postura atingida, que devem ser medidas em relação a um sistema de coordenadas paralelo ao sistema da base indicado na figura 5.1-b. A figura 5.2 apresenta também o ponto de medição, neste caso tomado como o centro da ferramenta acoplada à interface mecânica.

Segundo a norma ISO, as características de postura são a tendência de postura, a repetitividade de postura, a variação multidirecional na tendência de postura, o deslocamento nas características de postura, a intercambiabilidade, a tendência e a repetitividade de distância, o tempo de estabilização, e o sobrepasso, que são descritos a seguir.

5.2.1.1 – Tendência de postura (AP)

É a diferença entre a postura comandada e a média das posturas atingidas quando a aproximação é realizada pela mesma direção. É dividida em:

• Tendência de posicionamento (APp): a diferença entre uma posição comandada e o baricentro das posições atingidas (figura 5.3-a);
• Tendência de orientação (APc): a diferença entre a orientação angular comandada e a média das orientações angulares atingidas (figura 5.3-b).

5.2.1.2 – Repetitividade de postura (RP)

Expressa a proximidade das posturas atingidas após n visitas à mesma postura comandada na mesma direção. É quantificada através do:

• Raio da esfera centrada no baricentro do grupo de pontos atingidos (RPl) calculado a partir da média dos raios de cada ponto atingido e do seu desvio padrão (figura 5.3-a);
• Faixa de três desvios padrão das medidas angulares em torno dos valores médios dos ângulos de orientação (figura 5.3-b).

5.2.1.3 – Variação multidirecional na tendência de postura (vAP)

Expressa a diferença entre as médias das posturas atingidas visitando a mesma postura comandada n vezes a partir de três direções ortogonais (figura 5.4). É quantificada por:

• vAPp – a distância máxima entre os baricentros do conjunto de pontos atingidos ao final de cada percurso;

• vAPa, vAPb, vAPc – o máximo desvio entre o valor médio dos ângulos atingidos ao final dos diferentes percursos.

5.2.1.4 – Deslocamento nas características de postura

Compreende os deslocamentos na tendência e na repetitividade. O deslocamento na tendência de postura (dAP) é a variação na tendência de postura no decurso de um tempo especificado. Da mesma forma, o deslocamento na repetitividade de postura (dRP) é a variação na repetitividade de postura ao longo de um dado tempo.

Esses deslocamentos são medidos ao longo de diversas horas, a partir da partida fria do robô.

5.2.1.5 – Intercambiabilidade

Expressa o desvio dos baricentros das posturas atingidas em testes realizados com robôs diferentes do mesmo tipo, sob as mesmas condições ambientais, mesma montagem mecânica e usando o mesmo programa. Esse desvio é provocado pelas tolerâncias mecânicas, erros de calibração e erros de montagem dos robôs.

A intercambiabilidade (E) é a distância entre os baricentros das posturas atingidas pelos dois robôs que tiveram o maior desvio nos testes (figura 5.5).

5.2.1.6 – Tendência e repetitividade de distância

Quantificam, respectivamente, o erro na distância entre duas posturas comandadas e as duas posturas médias atingidas, e as flutuações na distância para uma série de movimentos repetidos entre as duas posturas.

Essas características dizem respeito apenas a robôs que têm entrada de dados manual ou são programados fora de linha.

Os testes de tendência e a repetitividade de distância podem ser realizados empregando dois procedimentos:

1. Comandando as duas posturas usando a programação fora de linha;
2. Comandando uma postura através da caixa de comando e a outra através de uma entrada de dados manual.

O procedimento utilizado influencia os resultados do teste. Por isso, a norma determina que ele deve ser explicitado no relatório dos testes.

Tendência de distância (AD): é o erro na posição e na orientação entre a distância comandada e a distância atingida (figura 5.6).

Repetitividade de distância (RD): quantifica a proximidade entre as diversas distâncias atingidas para a mesma distância comandada, repetida n vezes na mesma direção.

5.2.1.7 – Tempo de estabilização

Caracteriza a rapidez com que o robô pode parar em uma postura atingida.

A figura 5.7 ilustra, num exemplo, o percurso de aproximação a uma postura atingida em três dimensões. Essa figura apresenta também a banda limite em torno da posição atingida.

A banda limite é igual à repetitividade definida no item 5.2.1.2 ou um valor estabelecido pelo fabricante do robô.

O tempo de estabilização é o tempo medido entre o instante em que o ponto de medição cruza a banda limite pela primeira vez até o instante a partir do qual o ponto de medição permanece dentro da banda limite.

5.2.1.8 – Sobrepasso

É a distância máxima ocupada pelo ponto de medição em relação à postura atingida após ele ter cruzado a banda limite pela primeira vez (figura 5.7).

O sobrepasso quantifica a capacidade do robô realizar paradas suaves e precisas nas posturas atingidas. A figura 5.8 mostra o exemplo de uma parada superamortecida (curva 1), no qual o sobrepasso é nulo, e o exemplo de uma parada oscilatória onde o sobrepasso (OV) existe.

5.2.2 – Características de Percurso

Expressam os erros entre um percurso comandado (especificado na programação do robô) e o respectivo percurso percorrido (em resposta ao percurso comandado com o robô funcionando em modo automático).

Essas características são quantificadas através da tendência de percurso, da repetitividade de percurso, da tendência de percurso com reorientação, dos desvios de canto, e da tendência, repetitividade e flutuação na velocidade de percurso, descritas no que segue.

5.2.2.1 – Tendência de percurso (AT)

Caracteriza a habilidade de um robô mover sua interface mecânica ao longo de um caminho comandado n vezes na mesma direção. É dada pela:

1. Diferença entre as posições do caminho comandado e a linha do baricentro das posições dos caminhos percorridos (tendência de percurso de posição - ATp na figura 5.9);
2. Diferença entre as orientações comandadas e a média das orientações percorridas (tendência de percurso de orientação).

Tanto para a posição como para a orientação, a tendência de percurso é o valor do máximo desvio obtido ao longo do caminho.

5.2.2.2 – Repetitividade de percurso

Expressa a proximidade entre os caminhos percorridos para o mesmo caminho comandado em n repetições. É dada por:

1. RTp – raio máximo das circunferências que envolvem o tubo de caminhos percorridos, medido a partir da linha de baricentros do tubo em um plano normal a ela (figura 5.9);
2. O máximo desvio entre o valor médio dos ângulos percorridos.

5.2.2.3 – Tendência de percurso com reorientação

Registra a influência da orientação na tendência de percursos ao longo de um caminho linear.

5.2.2.4 – Desvios de canto

O percurso comandado de um robô pode ter cantos agudos ou cantos arredondados. Para percorrer cantos agudos com uma boa tendência de percurso, é preciso admitir mudanças na velocidade. Para conseguir velocidade constante, deve-se arredondar os cantos.

Diz-se que o percurso comandado tem um canto agudo quando o robô deve deixar um primeiro percurso comandado (veja figura 5.10) que ele vem percorrendo com uma velocidade programada constante para, sem atraso, tomar um segundo percurso comandado ortogonal ao primeiro.

Os desvios de canto são quantificados através do erro de arredondamento de canto e do sobrepasso de canto descritos a seguir.

Erro de arredondamento de canto (CR): é a distância da trajetória percorrida à interseção do primeiro com o segundo caminho comandado (figura 5.10). O resultado do teste é o maior erro para três ciclos consecutivos.

Sobrepasso de canto (CO): é o desvio máximo da trajetória percorrida medido em relação ao segundo caminho comandado (figura 5.10). Novamente, o resultado é o maior desvio para três ciclos consecutivos.

5.2.2.5 – Características de velocidade de percurso

O desempenho de um robô é caracterizado pela tendência, repetitividade e flutuação na velocidade de percurso, indicadas na figura 5.11.

Tendência na velocidade de percurso (AV): é definida como o erro entre a velocidade comandada e o valor médio das velocidades atingidas.

Repetitividade na velocidade de percurso (RV): é a medida da proximidade das velocidades atingidas para a mesma velocidade comandada.

Flutuação na velocidade de percurso (FV): é o desvio máximo durante o movimento com uma velocidade comandada.

5.2.3 – Tempo Mínimo de Posicionamento

O tempo mínimo de posicionamento é o tempo entre a partida de uma postura estacionária e a chegada a outra postura estacionária percorrendo uma distância linear ou angular pré-estabelecida, sob a ação de um controle de postura a postura. O tempo de estabilização na postura atingida, definido no item 5.2.1.7, é incluído no tempo de posicionamento.

5.2.4 – Flexibilidade Estática

A flexibilidade estática é o máximo deslocamento por unidade de carga aplicada. De acordo com a norma, a carga deve ser aplicada na interface mecânica do robô e o deslocamento deve ser medido no mesmo local.

As forças devem ser aplicadas nas três direções correspondentes ao sistema de coordenadas da base do robô.

A medição das características apresentadas acima é realizada em testes de desempenho correspondentes estabelecidos na norma. No que segue, são descritas as condições que devem ser observadas durante a realização desses testes.

5.3 - Condições para os Testes de Desempenho

As condições nas quais as características de desempenho são testadas influenciam decisivamente os resultados. A norma ISO 9283:1998 estabelece condições que dizem respeito à montagem, à operação, ao meio ambiente, aos princípios de medição, à instrumentação, às cargas na interface mecânica, às velocidades de teste e às posturas e percursos a serem utilizadas nos testes.

A norma também fixa as condições para testes comparativos entre robôs diferentes, que estão apresentadas ao final deste item.

De acordo com a norma, a montagem, a operação e as condições ambientais em que o robô funciona devem seguir as instruções de seu fabricante. A medição das posições e ângulos de orientação deve ser feita no sistema de coordenadas da base definido pela norma ISO 9787 (veja figura 5.1-b).

A incerteza na instrumentação não deve ultrapassar 25% da magnitude da característica que está sendo testada. Maiores detalhes dos equipamentos de teste e dos métodos de metrologia podem ser encontrados na norma ISO/TR 13309.

Todos os testes devem ser realizados sob as condições de carga máxima especificadas pelo fabricante. Adicionalmente, pode-se efetuar testes com cargas menores.

No que diz respeito à velocidade, os testes para medir as características de postura devem ser realizados utilizando a velocidade máxima estabelecida pelo fabricante. Para as características de postura, pode-se, adicionalmente, realizar ensaios com velocidades menores.

Para quantificar as características de percurso, os testes devem ser realizados para 100%, 50% e 10% da velocidade máxima.

As posturas e os percursos a serem utilizadas nos testes são estabelecidas a partir de um cubo de teste inscrito no espaço de trabalho do robô (figura 5.12).

Esse cubo com lados paralelos aos eixos do sistema de coordenadas da base deve ser localizado na parte mais utilizada do espaço de trabalho, e deve ter o maior volume possível. O relatório dos resultados dos testes deve conter uma figura mostrando a localização do cubo dentro do espaço de trabalho, como na figura 5.12. Quando o espaço de trabalho tem uma dimensão preponderante, o cubo pode ser substituído por um paralelepípedo retangular.

5.3.1 – Posturas a Serem Testadas

As posturas a serem utilizadas nos testes devem estar localizadas em um dos planos do cubo de teste indicados na figura 5.13. O plano escolhido deve estar explicitado no relatório de testes.

Nos testes de postura são utilizadas cinco posturas (P1 a P5) contidas no plano selecionado. A postura P1 é a interseção das diagonais do cubo de teste e é o centro do cubo. As posturas P2 a P5 estão localizadas a uma distância igual a (10 ± 2)% do comprimento da diagonal medida a partir do fim das diagonais (veja figura 5.14).

Para cada teste são estabelecidos os respectivos ciclos. A tendência de postura descrita no item 5.2.1.1, por exemplo, é avaliada movimentando-se a interface mecânica a partir de P1 até P5, P4, P3, P2 e P1 novamente, sendo cada postura visitada mediante uma aproximação unidirecional. Outros ciclos são definidos para os testes das demais características.

5.3.2 – Percursos a Serem Testados

Os percursos a serem testados devem estar localizados em um dos quatro planos mostrados na figura 5.15. Para robôs com seis eixos, deve ser usado o plano 1, a não ser que algum outro esteja especificado pelo fabricante. Para robôs com um número menor de eixos, o plano a ser usado deve estar especificado pelo fabricante.

Os percursos devem ter forma linear ou circular. Caso o fabricante do robô especifique outras formas de percurso, os testes devem ser feitos de acordo com essa especificação e o percurso deve estar explicitado no relatório de resultados.

Os percursos lineares na diagonal do cubo devem ter comprimento igual a 80% da distância entre vértices opostos do cubo no plano selecionado, como a distância entre os pontos P2 e P4 na figura 5.16, por exemplo.

Nos testes com percursos circulares, devem ser testados dois círculos diferentes. O diâmetro do círculo maior deve ser igual a 80% do tamanho do lado do cubo, e o centro deve ser no ponto P1 (veja figura 5.16). O círculo menor deve ser centrado em P1 e seu diâmetro é 10% do diâmetro do círculo maior.

Nos percursos retangulares, os cantos são denominados E1, E2, E3 e E4, cada um localizado a uma distância igual a (10 ± 2)% do comprimento da diagonal do plano, como está mostrado na figura 5.16.

5.3.3 – Testes Comparativos

Os parâmetros para a realização de testes comparativos entre robôs diferentes estão estabelecidos no anexo A da norma ISO 9283:1998.

Na comparação de robôs, são avaliadas as características de postura e de percurso descritas respectivamente nos itens 5.2.1 e 5.2.2.

A norma determina também que o tamanho dos cubos de teste, as cargas de teste, as velocidades de teste, os percursos de teste, os ciclos de teste e as condições ambientais têm que ser os mesmos para os diferentes robôs. Os valores desses parâmetros estão estabelecidos no anexo A da norma.