BR102015027352A2 - robô industrial e método para controlar um robô industrial - Google Patents

Abstract

robô industrial e método para controlar um robô industrial um robô industrial (1, 15) compreende: • um manipulador (1) com uma série de graus de liberdade (a1 - a6); • uma unidade de controle (15) do manipulador (1); • um primeiro sistema de detecção (19), para detectar a possível presença de um corpo estranho (ho), em particular, um ser humano; • um segundo sistema de detecção (21), incluindo um ou mais sensores inerciais instalados no manipulador (1); • um terceiro sistema de detecção (22), incluindo meios para medir o torque aplicado por motores elétricos (11’ - 14') do manipulador (1). a unidade de controle (15) é pré-disposta de tal forma que, com o robô (1, 15) em modo de operação automática, a detecção pelo primeiro sistema de detecção (19) da presença de um corpo estranho (ho) dentro da região de trabalho pré-definida (20) do manipulador (1) determina a seleção de um modo de operação automático seguro do robô (1, 15), durante o qual a velocidade dos motores elétricos (11’ - 14’) é reduzida, e os segundo e terceiro sistemas de detecção (21, 22) estão operacionais para detectar qualquer impacto possível do manipulador (1) contra um corpo estranho (ho). no caso da detecção de um impacto, a unidade de controle (15) para o movimento do manipulador (1) e/ou governa a reversão de seu movimento, antes da parada deste.

Description

“ROBÔ INDUSTRIAL E MÉTODO PARA CONTROLAR UM ROBÔ INDUSTRIAL” CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se refere a robôs industriais que incluem um manipulador e uma unidade de controle do manipulador. A invenção foi desenvolvida com referência particular à questão de cooperação entre um operador humano e tal robô industrial.

TÉCNICA ANTERIOR

[0002] Um robô industrial pode normalmente operar em um modo manual e ao menos um modo automático, que pode usualmente ser selecionado na unidade de controle do manipulador. O modo de operação manual é selecionado para os propósitos de programar o robô e, neste modo, o manipulador pode ser manipulado por meio de comandos transmitidos manualmente por um operador; no modo de operação automático, por sua vez, o movimento do manipulador é governado exclusivamente por sua unidade de controle.

[0003] A atividade de programação de um robô com uma série de graus de liberdade consiste em, basicamente, ensinar ao robô o caminho que um ponto de seu manipulador terá que repetir automaticamente durante os passos de trabalho normais para executar uma certa operação. Este ponto é usualmente constituído pelo chamado “Tool Center Point” (TCP - em português, “Ponto Central da Ferramenta”), que identifica a posição da parte ativa de um efetor de extremidade do manipulador, entendido, aqui, como uma ferramenta de usinagem ou como um conjunto que consiste em um dispositivo de preensão e a peça movida correspondente. A maioria do tempo de programação é dedicado a governar o robô manualmente para identificar os pontos ótimos dos caminhos de movimento do TCP e armazenar as coordenadas correspondentes deste. Para isto, um terminal de programação portátil, também conhecido como dispositivo de controle portátil (“teach pendartf) pode ser usado, ou, em vez disto, um dispositivo de guia manual, diretamente montado na estrutura móvel do manipulador. Também é conhecida a programação de um robô industrial em um modo off-line (programação off-line, em inglês, off-line programming, OLP), utilizando, para isto, um programa adequado de um tipo CAD que permita configuração dos movimentos necessários para usinagem. Diferentemente dos casos anteriores, este tipo de programação é executada de forma substancialmente remota, i.e., não na vizinhança imediata do manipulador.

[0004] Para governar manualmente as variações da postura do manipulador, o operador utiliza botões específicos do dispositivo de controle portátil, conhecidos como botões rotativos ou teclas rotativas, que governam o movimento de um ou mais eixos do robô. Ao acionar os botões rotativos do dispositivo de controle portátil, o TCP pode ser movido em uma direção específica, seja positiva ou negativa, dentro de um sistema de referência selecionado pelo operador entre uma série de sistemas de referência possíveis. Por exemplo, em um robô antropomórfico com seis graus de liberdade, ao menos os sistemas de referência “Juntas”, “Base” e “Ferramenta” são tipicamente provido, em que o sistema Juntas se refere às juntas do robô (um vetor neste sistema representa as posições angulares de cada uma das juntas) e os sistemas Base e Ferramenta são sistemas de referência cartesiana, o primeiro se referido à base do robô e o último ao efetor de extremidade provido na flange de extremidade do robô.

[0005] Em comparação com dispositivos de controle portáteis, dispositivos de guia manual permitem que a atividade de programação do robô se torne mais intuitiva, uma vez que consistem, basicamente, em um tipo de preensão associada à estrutura móvel do manipulador em que o programador atua para fazer com que o manipulador em si execute os movimentos desejados no estágio de programação. Em geral, é associado à preensão supracitada, um sensor de força que permite à unidade de controle reconhecer a direção de deslocamento desejada pelo programador (veja, por exemplo, US 6212443 A). Como alternativa ou em adição a um sensor de força, um dispositivo de alavanca (joystick) pode ser provido (veja, por exemplo, US8412379 B).

[0006] Na maioria das soluções conhecidas, a unidade de controle de um robô pode operar de acordo com três modos ou estados diferentes, a saber: um modo de Programação, um modo Automático, e um modo Remoto.

[0007] No modo de Programação, um operador age na vizinhança do manipulador, como explicado anteriormente, para governar a operação deste, armazenar os passos de programação e programar a atividade operacional por meio do dispositivo de controle portátil do dispositivo de guia manual.

[0008] O passo de programar o robô é claramente aquele que envolve os maiores riscos para um operador, que deve seguir o TCP de forma próxima para checar visualmente o posicionamento deste, movendo continuamente em torno do manipulador. Por esta razão, no modo de Programação, restrições de velocidade aos movimentos do manipulador são normalmente ativadas. No caso do uso de um dispositivo de controle portátil, o operador tem, então, disponível em suas próprias mãos um botão de parada de emergência e um dispositivo de permissão que estão, ambos, presentes no terminal. Na prática, se o dispositivo de permissão não for mantido ativo no estágio de programação pelo operador, o manipulador não pode executar nenhum movimento. No caso de um dispositivo de guia manual, a preensão em si constitui uma forma de dispositivo de permissão, dado que sua liberação pelo operador causa uma parada do movimento do robô. No entanto, é preferível fornecer um dispositivo de parada de emergência e um dispositivo de permissão também em dispositivos de guia manual.

[0009] No modo Automático, o robô executa um programa de operação próprio, obtido como explicado acima, possivelmente em combinação com outro robô ou aparatos automáticos, normalmente dentro de uma célula protegida contra acesso da equipe, mas sob controle visual de um operador.

[0010] Também no modo Remoto, o robô executa um programa de operação próprio dentro de uma célula protegida contra acesso da equipe, mas, neste caso, o início da execução do programa vem de um supervisor de célula, tal como um PLC, que, por exemplo, controla ambos o robô e outros aparatos automáticos presentes na própria célula.

[0011] Ainda no caso de operações de usinagem executadas por meio de robôs industriais nos modos Automático e Remoto, pode-se mostrar útil ou necessário para um operador abordar a região de trabalho do manipulador ou mover-se em seu alcance, por exemplo, para controlar visualmente a precisão de efetividade de certas operações executadas pelo manipulador.

[0012] Para estes casos, é conhecida a prática de prover sistemas adequados projetados para detectar a presença de um operador dentro da região de trabalho do manipulador ou em sua vizinhança. Estes sistemas podem, por exemplo, ser baseados no uso de dispositivos para aquisição e comparação de imagens, ou, ainda, podem usar escaneadores de luz ou barreiras de luz projetados para detectar a entrada do operador na região de trabalho do manipulador. Em geral, na sequência de uma detecção, o sistema de vigilância suspende a operação do robô. A região vigiada pode também ser dividida em regiões de diferentes graus de criticidade: neste caso, o operador que se move para uma região relativamente próxima ao manipulador, mas ainda fora de seu escopo de movimento, recebe um aviso visual ou acústico; se, em vez disto, o operador entra em uma segunda região, correspondente ao escopo de movimento supracitado, o movimento do manipulador é suspenso.

[0013] Um abordagem deste tipo garante um alto grau de segurança para os operadores, mas frequentemente causa interrupções do fluxo de produção que não seriam estritamente necessárias.

SUMÁRIO E OBJETO DA INVENÇÃO

[0014] Em vista do que foi exposto acima, o objeto da presente invenção é prover um robô industrial e um sistema de controle para um robô industrial que torne possível um alto grau de cooperação entre um operador humano e um robô industrial que opera automaticamente, mas sem pôr em risco os requisitos necessários de segurança.

[0015] Os objetos acima e, ainda, outros, o que emergirá claramente doravante, são obtidos, de acordo com a presente invenção, por um robô industrial e por um método para controlar um robô industrial que apresente as características especificadas nas reivindicações que seguem. As características formam uma parte integral do ensinamento técnico provido aqui em relação à invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0016] Objetos, características e vantagens adicionais da presente invenção irão emergir claramente da descrição que segue e dos desenhos em anexo, que são providos puramente como forma de exemplos explicativos e não limitantes, e nos quais: • A Figura 1 é uma vista em perspectiva esquemática e parcial de um robô industrial de acordo com uma modalidade da invenção; • A Figura 2 é uma vista em perspectiva esquemática e parcial do robô da Figura 1 em uma primeira condição de trabalho; • A Figura 3 é uma vista em perspectiva esquemática e parcial do robô da Figura 1 em uma segunda condição de trabalho; • A Figura 4 é um fluxograma simplificado com objetivo de expressar uma possível lógica para controlar um robô industrial de acordo com uma modalidade da invenção; • As Figuras 5, 6 e 7 são vistas em perspectiva esquemáticas e parciais de um robô industrial de acordo com modalidades adicionais da invenção; e • A Figura 8 é uma vista em perspectiva esquemática e parcial de um robô industrial de acordo com uma modalidade variante da invenção.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES DA INVENÇÃO

[0017] Referências a “uma modalidade” no âmbito da presente descrição se destinam a indicar que uma configuração, estrutura ou característica particular descrita em relação à modalidade está incluída em ao menos uma modalidade. Portanto, frases como “em uma modalidade” e afins, que podem estar presentes em várias partes da presente descrição, não necessariamente se referem, todas, a uma mesma modalidade. Ainda, as configurações, estruturas ou características particulares podem ser combinadas de qualquer forma adequada em uma ou mais modalidades. As referências utilizadas a seguir são providas meramente por conveniência e não definem a esfera de proteção ou o escopo das modalidades.

[0018] Destaca-se, ainda, que, na sequência da presente descrição, apenas os elementos úteis para um entendimento da invenção serão descritos, tomando como certo, por exemplo, que o robô industrial de acordo com a invenção inclui todos os elementos conhecidos em si para sua operação.

[0019] Está representado esquematicamente na Figura 1 um robô industrial de acordo com uma modalidade da invenção, incluindo um manipulador 1 com uma série de graus de liberdade, possuindo uma estrutura mecânica 2 que inclui uma série de partes móveis. No exemplo ilustrado, o robô é um robô antropomórfico com seus graus de liberdade que possui uma base estacionária 3 e uma coluna 4 montada com liberdade de rotação na base 3 em torno de um primeiro eixo A1 orientado verticalmente. É designado por 5 um braço montado com liberdade de oscilação na coluna 4 em torno de um segundo eixo A2 orientado horizontalmente. É designado por 6 um ombro, montado no braço 5 de modo a girar em torno de um terceiro eixo A3, que também é orientado horizontalmente, o ombro 6 dando suporte a um antebraço 7, projetado para girar em torno de seu eixo A4, que, consequentemente, constitui um quarto eixo de movimento do manipulador 1. O antebraço 7 está equipado, em sua extremidade, com um punho 8, montado para movimentar-se de acordo com dois eixos A5 e A6. É associado à flange do punho 8 um efetor de extremidade, designado por 9, que, no exemplo, é representado por um dispositivo para agarrar um componente genérico 10. Como explicado na parte introdutória da presente descrição, o efetor de extremidade 9 e/ou a peça 10 por ele carregada identifica o chamado “Tool Center Point” (TCP - em português, “Ponto Central da Ferramenta”).

[0020] O efetor de extremidade 9 pode ser de qualquer tipo e ser capaz de executar qualquer outra função conhecida no setor, por exemplo, uma tocha de solda ou um alicate de solda, uma pistola de pintura ou uma pistola para a aplicação de um selante, um fuso de perfuração ou de atrito, etc.

[0021] As partes móveis 4 - 8 são conectadas por meio de juntas 11, 12, 13 e 14, associadas às quais estão motores elétricos 11’, 12’, 13’ e 14’ respectivos, com transmissão de redução de marcha correspondente. As juntas e os motores para o punho 8 não estão ilustradas nas figuras por motivos de maior clareza. Em uma modalidade, tal como a exemplificada, o efetor de extremidade 9 também possui meios de acionamento respectivos, que também não são representados por motivos de clareza. São associados às juntas supracitadas, isto é, aos motores correspondentes, transdutores correspondentes, para controle da posição. Alguns destes transdutores são designados por S na Figura 1.

[0022] Os movimentos do manipulador 1 e as operações que podem ser executadas pelo efetor de extremidade 9 são geridas por uma unidade de controle 15, que está localizada em uma posição remota em relação à estrutura 2 e que está conectada às partes elétricas/eletrônicas desta última por meio de um cabo 16. As modalidades práticas do hardware e do software que dizem respeito à unidade 15, que é provida com um sistema de controle de microprocessador respectivo, são independentes dos propósitos da presente descrição, aparte alguns aspectos referidos daqui em diante que dizem respeito à invenção.

[0023] A unidade de controle 15 é configurada para controlar o manipulador 1 em uma série de modos de operação diferentes, entre os quais ao menos um modo de operação automático e preferencialmente também um modo de operação manual. Para este propósito, a unidade 15 inclui meios de seleção 17, que podem ser operados por um usuário para seleção de um modo de operação desejado entre aqueles possíveis. Em uma modalidade preferida, o robô é capaz de operar em três modos selecionáveis, isto é, um modo de Programação, um modo Automático, e um modo Remoto, como indicado na parte introdutória da presente descrição. Na Figura 1, a referência 17 designa, então, um dispositivo para seleção manual do modo de operação desejado entre aqueles indicados.

[0024] É implantado na unidade de controle 1 o programa ou software que supervisiona a operação do manipulador 1, nos três modos indicados. Este programa - representado esquematicamente pelo bloco 18 - preferencialmente inclui ao menos um modelo dinâmico para controle do manipulado 1. O software 18, ou o modelo dinâmico correspondente, pode ser definido de acordo com qualquer técnica conhecida em si no setor para controlar robôs industriais, e consequentemente não será descrito em detalhe aqui. Aqui, caberá observar que este programa ou modelo inclui as relações que expressam ao menos os valores teóricos de posição, velocidade e aceleração das partes da estrutura móvel do manipulador 1 (incluindo seus motores) para os propósitos de controle de seu movimento, bem como as relações que expressam valores teóricos de torque aplicado pelos motores elétricos das várias juntas de conexão providas. Para os propósitos do controle de posição, os transdutores S também são, obviamente, utilizados.

[0025] Como explicado anteriormente, no modo de Programação, um operador “simula” um passo de usinagem, que o manipulador 1 será, então, convocado a executar nos modos Automático ou Remoto, variando a postura do manipulador em si por meio de um dispositivo de controle portátil ou, em vez disto, um dispositivo de guia manual (ou possivelmente em modo OLP). No modo Automático ou Remoto, os movimentos do manipulador são, em vez disto, governados diretamente pela unidade de controle 15.

[0026] Em relação a o que é de interesse específico aqui, quando o robô precisa operar automaticamente (modo Automático ou Remoto), os motores elétricos associados às juntas e ao punho da estrutura 2 são acionados pela unidade 15 de acordo com perfis de velocidade de trabalho determinados pelo programa de controle 18, isto é, pelo modelo dinâmico correspondente.

[0027] O robô industrial de acordo com a invenção inclui um primeiro sistema de detecção, pré-disposto para detectar a possível presença de um operador - ou, mais genericamente, de um corpo estranho - em uma região de trabalho pré-definida do manipulador 1. Este sistema de detecção pode, por exemplo, incluir um ou mais dispositivos selecionados entre dispositivos de sensor de imagem, dispositivos de sensor de feixe de luz (luz visível e não visível), dispositivos de radiofrequência, dispositivos de transdutor de força.

[0028] Em uma modalidade, por exemplo, primeiro sistema de detecção inclui um sistema de vigilância baseado no uso de uma série de unidades de gravação de imagem. Sistemas deste tipo são bastante conhecidos em si no campo e não exigem qualquer descrição detalhada. Aqui, é suficiente lembrar que, nestes sistemas, diferentes unidades de gravação gravam imagens de uma região tridimensional sob vigilância, e uma unidade de processamento detecta a presença de corpos estranhos na região tridimensional, com base em comparações feitas entre as imagens gravadas pelas várias unidades. Para uma descrição de um exemplo deste tipo de sistemas de detecção, é feita ao leitor referência a US2009268029 A, cujos ensinamentos são considerados como sendo incorporados aqui por referência. Por exemplo, na modalidade ilustrada nas Figuras 1 e 2, é designado, de modo geral, por 19, um dispositivo de sensor que inclui uma série de unidades de gravação de imagens, por exemplo, obtidas de acordo com a técnica descrita na US2009268029 A supracitada (ver, em particular, a Figura 4 deste documento prévio).

[0029] Na Figura 2, a região tridimensional, designada por 20, sob vigilância pelo dispositivo 19, é a região dentro dos limites da qual a estrutura 2 móvel do manipulador 1 é capaz de mover-se, em particular em referência a sua parte mais extrema - aqui representada pelo efetor de extremidade que inclui o dispositivo de preensão 9 e pela peça 10 correspondente sendo manipulada (caberá observar que, na Figura 2, como nas Figuras 3 e 5 - 7, a região de trabalho 20 do manipulador 1 é representada com dimensões menores do que aquelas teoricamente possíveis com vistas às articulações do manipulador em si.

[0030] O robô de acordo com a invenção inclui, ainda, um segundo sistema de detecção, incluindo um ou mais sensores inerciais instalados no manipulador 1. Na modalidade da Figura 1, três sensores inerciais 21 são, por exemplo, providos, montados respectivamente no braço 5, no antebraço 7 e no efetor de extremidade 9. Em uma modalidade preferida, os sensores 21 são acelerômetros de um tipo comercial, mas não está excluído do escopo da invenção o caso do uso de giroscópios.

[0031] O robô industrial de acordo com a invenção inclui, ainda, um terceiro sistema de detecção, que inclui meios para medir o torque aplicado por ao menos alguns dos motores elétricos do manipulador 1, tais como, por exemplo, os motores 11 14’ e os motores associados ao punho 8. Os meios de medição do torque também podem ser de qualquer tipo conhecido no setor. Em uma modalidade particularmente vantajosa, a medição do torque é executada indiretamente, e, para este propósito, meios para medição da corrente absorvida pelos motores supracitados são providos. De acordo com uma técnica conhecida em si, o programa 18 implantado na unidade de controle 15 inclui as relações existentes entre os valores do torque que podem ser aplicadas pelos motores supracitados e as absorções de corrente correspondentes. Estes meios de medição, que preferencialmente incluem um ou mais sensores amperométricos na unidade de controle 15, são representados esquematicamente na Figura 1 pelo bloco 22.

[0032] De acordo com a invenção, a unidade 15 é pré-disposta de tal forma que - quando o robô opera automaticamente (isto é, no modo Automático ou no modo Remoto), a detecção pelo primeiro sistema de detecção 19 da presença de um corpo estranho, isto é, um operador, dentro da região de trabalho 20 determina a seleção automática de um modo de Operação Automática de Segurança.

[0033] Tal caso é exemplificado na Figura 3, em que é designado por HO um operador que entra na região 20, por exemplo, para executar uma verificação qualitativa da operação no manipulador 1.

[0034] Em seguida à mudança automática para o modo de Operação Automática de Segurança, a unidade de controle 15 governa a redução das velocidades de direção dos motores elétricos do manipulador 2 em relação às velocidades de trabalho impostas pelo programa de controle para executar as operações de usinagem nos modos Automático ou Remoto. Em maior detalhe, as velocidades dos motores são reduzidas para velocidades de segurança determinadas pelo programa 18 para o modo de Operação Automática de Segurança. Estas velocidades de segurança não são superiores a um limite de velocidade pré-determinado, considerado suficientemente seguro: preferencialmente, este limite é de 250 mm/s.

[0035] No caso em que o operador HO deixa a região de trabalho 20 -circunstância detectada por meio do sistema de vigilância 19 - a unidade de controle 15 governa o retorno do robô à condição de operação normal, isto é, ao modo Automático ou ao modo Remoto originalmente selecionado manualmente.

[0036] No modo de Operação Automática de Segurança, a unidade de controle 15 - além de reduzir a velocidade dos motores - monitora o estado dos segundo e terceiro sistemas de detecção 21 e 22 supracitados para detectar um possível impacto entre partes móveis da estrutura 2 do manipulador 1 e o operador HO (ou outro corpo estranho) presente na região de trabalho 20 sob vigilância pelo primeiro sistema de detecção 19.

[0037] De acordo com uma característica da invenção, ambos os sistemas de detecção 21 e 22 são utilizados para este propósito. A detecção de qualquer impacto possível com base no uso dos acelerômetros 21 é feita pela comparação cíclica dos valores de aceleração teóricos determinados pelo programa de controle 18 por meio dos valores de aceleração reais medidos por meio dos acelerômetros 21. O algoritmo específico de comparação pode ser de qualquer tipo considerado adequado para o propósito. Por exemplo, um critério possível é calcular a diferença entre o valor teórico de aceleração e o valor de aceleração medido e verificar se esta diferença é igual a ou maior que um limite pré-definido, por exemplo, igual a 10% do valor teórico de aceleração.

[0038] O presente Demandante observou que o uso de acelerômetros e outros sensores inerciais se mostra perfeitamente adequado para detectar impactos de tipo impulsivo, isto é, impactos instantâneos ou repentinos contra a estrutura móvel do manipulador, que, em uma unidade de tempo (por exemplo, 1s), gera uma alta energia e, asism, gera, em um sensor inercial, um pulso que é claramente distinguível (considere, por exemplo, um operador que se choca contra a estrutura do robô com um braço ou com um objeto rígido genérico que ele tenha em sua mão).

[0039] Em vez disto, os sinais gerados por este tipo de sensores não permite discriminação precisa (exceto às custas de um fardo considerável da lógica de controle e da capacidade de processamento da unidade 15) de impactos de um tipo não impulsivo, isto é, contatos com a estrutura do robô que sejam prolongados e que, na unidade de tempo, tenham uma energia baixa (considere, por exemplo, o caso de uma parte da estrutura móvel do manipulador que exerce uma pressão progressiva em uma parte do corpo de um operador).

[0040] Por esta razão, de acordo com a invenção, a unidade de controle 15, em paralelo ao monitoramento de possíveis colisões pelo sistema de acelerômetros 21, também executa monitoramentos baseados em análise do torque aplicado pelos motores que aciona as partes móveis do manipulador 1. Ainda neste caso, basicamente, a unidade 15 compara ciclicamente os valores teóricos de torque determinados pelo programa de controle 18 com os valores de torque medidos por meio do sistema de detecção 22. No exemplo considerado aqui, como foi dito, este tipo de monitoramento é indireto e baseado na comparação entre as absorções teóricas e as absorções reais de motores elétricos associadas às partes móveis do manipulador 1. Também neste caso, o algoritmo específico de comparação pode ser de qualquer tipo considerado adequado para o propósito. Por exemplo, também neste caso, um possível critério calcular a diferença entre o valor teórico de aceleração e o valor de aceleração medido e verificar se esta diferença é igual a ou maior que um limite pré-definido, por exemplo, igual a 10% do valor teórico de aceleração.

[0041] O monitoramento dos valores reais de torque ou de absorção corrente, por outro lado, não permite discriminação rápida e precisa do impacto de um tipo impulsivo. Por esta razão, de acordo com a abordagem aqui proposta, os sistemas 21 e 22 devem ser entendidos como complementares um ao outro, para os propósitos de uma detecção mais conveniente e imediata de qualquer impacto possível de partes móveis do manipulador 1 contra o operador HO ou outro corpo estranho presente na região de trabalho 20.

[0042] Na sequência da detecção de um impacto - por meio do sistema 21 e/ou do sistema 22 - a unidade de controle 15 governa a parada do movimento da estrutura 2 do manipulador 1 ou, em vez disto, governa uma reversão de seu movimento, em particular antes de sua parada, por exemplo, para um determinado curso (o manipulador pode ser acionado em reverso até assumir uma postura pré-definida, por exemplo, com as partes de sua estrutura na posição mais vertical possível). A parada ou reversão de movimento se destina a salvaguardar o operador HO após a detecção de um impacto.

[0043] Como pode ser visto, de acordo com a invenção, é permitido um alto grau de cooperação entre um robô, embora operando automaticamente, e um operador que entra na região de trabalho do manipulador correspondente, mas, em todo caso, em condições de alta segurança.

[0044] Caberá observar, por exemplo, que, se o operador HO tiver que mover-se por qualquer razão para a região 20, a operação do manipulador 1 não é interrompida, mas este último assume uma condição de operação segura, distinta por deslocamentos muito lentos de sua estrutura, com baixas acelerações e baixa energia (ao operar a uma velocidade baixa, de fato, a estrutura móvel do manipulador não pode gerar energia alta em um intervalo curto de tempo). Esta velocidade de segurança permite ao operador HO parar (ficar de pé) ou mover-se com total garantia dentro da região 20, isto é, sem a necessidade de executar deslocamentos rápidos ou se preocupar com possíveis movimentos súbitos do manipulador 1. A velocidade reduzida permite cooperação efetiva entre o operador e o robô também para o propósito de execução de uma operação de usinagem, por exemplo, com o operador passando uma peça de trabalho para o manipulador, ou pegando uma peça usinada do manipulador, ou, ainda, com o manipulador dando suporte a uma peça na qual o operador executa uma operação manual ou uma operação executada com o auxílio de uma ferramenta, por exemplo, uma chave inglesa.

[0045] A saída do operador HO da região 20 determina automaticamente a restauração da condição de trabalho normal do robô, tal como o modo Automático ou o modo Remoto, na maior velocidade vislumbrada pelo programa para operação normal.

[0046] Mesmo no caso em que uma parte móvel do manipulador 1 entra em contato com o corpo do operador HO, os efeitos do impacto são modestos por conta da baixa velocidade de deslocamento do manipulador: a salvaguarda da pessoa é, em todo caso, alta, por conta da parada imediata do movimento do manipulador e/ou da reversão de seu movimento após detecção de impacto.

[0047] A Figura 4 representa um fluxograma simplificado, com objetivo de exemplificar um possível programa de controle para um robô industrial, limitado à parte que pertence à presente invenção.

[0048] O bloco 100 é o bloco que representa o início do programa, por exemplo, por conta de um comando de início transmitido pela unidade 15. O controle passa para o bloco de teste 101, por meio do qual uma verificação é feita para checar se um modo manual está selecionado (modo de Programação). Se estiver (saída SIM), o controle passa para o bloco 102, para gestão da programação do robô, de acordo com modalidades conhecidas em si que são independentes da presente invenção. Se não estiver (saída NÃO), um modo automático (modo Automático ou Remoto) é selecionado, e o controle passa, então, para o bloco 103, para gestão da operação do robô de acordo com o programa de trabalho definido pela aplicação específica, também neste caso, de acordo com modalidades conhecidas em si que são independentes da presente invenção.

[0049] O controle passa, então, para o próximo bloco 104, para ativação de um primeiro sistema de detecção 19, isto é, o sistema para vigilância da região de trabalho do manipulador 1. Por meio do próximo bloco de teste 105, é feita uma verificação para checar se o sistema 19 detecta ou não a presença de um operador HO (ou, de forma mais genérica, de um corpo estranho) na região de trabalho 20. Se não detectar (saída NÃO), a verificação é repetida, enquanto, se detectar (saída SIM), o controle passa para o bloco 16, para ativação do modo de Operação Automática de Segurança, com redução consequente da velocidade de deslocamento da estrutura do manipulador. O controle passa, então, para o bloco 107, para monitoramento de qualquer possível impacto pelos sistemas de detecção 21 e 22.

[0050] No caso de ausência de detecção de impacto (saída NÃO), o monitoramento é repetido, enquanto, no caso de detecção de um impacto (saída SIM), o controle passa para o bloco 109, que se refere ao comando para parada do movimento do manipulador 1, após reversão anterior de seu movimento ou deslocamento na direção de uma posição de repouso pré-definida. O controle passa, então, para o bloco 110, para o término do programa.

[0051] Como já mencionado, o diagrama da Figura 4 é provido meramente como meio de exemplo, na medida em que se destina a resumir de forma intuitiva os passos do método de controle proposto. Por exemplo, na realidade, é preferível que o controle feito pelo sistema de detecção 19 seja executado de forma constante (diferentemente do que é representado pelo bloco 105 da Figura 4) de modo que, quando o operador HO se move de volta para fora da região de trabalho 20 do manipulador 1, o robô saia autonomamente do modo de Operação Automática de Segurança, para retornar ao modo Automático ou Remoto.

[0052] Como mencionado previamente, o primeiro sistema de detecção não é necessariamente baseado no uso de dispositivos de sensor de imagem, sendo possível que qualquer outro sistema de detecção de presença seja utilizado para este propósito.

[0053] A Figura 5, por exemplo, representa esquematicamente o caso de um sistema de detecção de presença baseado no uso de sensores de força. No caso exemplificado, a região de trabalho 20 do manipulador 1 é subtendido por uma plataforma ou base 19i, à qual estão associados sensores de força ou células de carga (não indicados) projetados para detectar a presença, na própria plataforma, de corpos estranhos que tenham um peso maior do que determinado limite, por exemplo, 1 kg. Como se poderá observar, quando o operador HO se move para a plataforma 19i, sua presença é detectada por meio dos sensores de força supracitados, com o robô se movendo automaticamente para o modo de Operação Automática de Segurança, e, então, retornando para o modo Automático ou Remoto quando o operador sai da plataforma.

[0054] A Figura 6 representa esquematicamente o caso de um sistema de detecção de presença baseado no uso de dispositivos de feixe de luz ou dispositivos de barreira de luz, por exemplo, escaneadores de luz 192 dispostos de modo que os feixes emitidos circunscritos em parte por meio de estruturas de metal e, em parte, por meio de um escaneador a laser. É evidente que outros dispositivos podem ser usados para o propósito projetado para gerar feixes de luz ou barreiras de luz que, quando interrompidos pelo operador HO, determinam a passagem do robô para o modo de Operação Automática de Segurança. Em aplicações deste tipo, é preferível que o robô seja restaurado para a condição de trabalho norma! (isto é, o modo Automático ou Remoto) manualmente, por exemplo, agindo sobre meios de controle propositalmente providos na unidade de controle 15, para não complicar excessivamente a vigilância do sistema de detecção de presença.

[0055] A Figura 7 representa esquematicamente o caso de um sistema de detecção de presença com base no uso de dispositivos de radiofrequência, em particular, um sistema RFID. Nesta modalidade, o sistema de identificação inclui um transponder portátil 193, em particular configurado para ser carregado por um operador HO. No exemplo, o transponder 193 é associado a uma faixa 25 que o operador HO carrega em seu braço. O transponder 193 pode, evidentemente, ser associado a outros objetos ou vestimentas que tenham que ser vestidos ou carregados por um operador, tal como, por exemplo, uma jaqueta, uma luva, um crachá, óculos de segurança, etc. O sistema de detecção, então, inclui um leitor de transponder 194, instalado dentro da região de trabalho 20.

[0056] Neste caso, o alcance de transmissão/recepção do sistema RFID 193 -194 é escolhido de modo a cobrir uma região tridimensional ao menos correspondente ao alcance no qual o manipulador 1 é capaz de mover-se.

[0057] Um sistema RFID do tipo indicado pode ser usado vantajosamente em combinação com um sistema de vigilância diferente, por exemplo, um sistema baseado em sensores de imagem do tipo designado previamente por 19. Em tal modalidade, a lógica de controle do robô pode ser pré-disposta de modo a implantar diferentes níveis de segurança, isto é, de modo a garantir a cooperação do robô de acordo com a invenção apenas com operadores qualificados.

[0058] Em referência, por exemplo, à Figura 7, o sistema RFID pode ser pré-disposto de modo a cobrir uma região tridimensional 20 ao menos igual a ou maior que aquela coberta pelo sistema 19, por exemplo, correspondendo substancialmente à região de trabalho 20 do manipulador 1. No caso em que um operador sem o transponder 193 (isto é, um operador “não autorizado”) entra na região 20, sua presença é, em todo caso, detectada pelo sistema 19, com a unidade de controle 15 parando, consequentemente, o movimento do manipulador 1. Em vez disto, se o operador HO que se move para dentro da região vigiada pelo sistema 19 leva consigo o transponder 193 (e é, portanto, um operador “autorizado”), ele é reconhecido pelo leitor 194, de modo que o sistema não gera uma parada da operação do robô, mas sim uma passagem para o modo de Operação Automática de Segurança, como descrito previamente.

[0059] Evidentemente, um sistema baseado no uso de dispositivos de radiofrequência do tipo referido também pode ser utilizado em combinação com sistemas de vigilância que não usem sensores de imagem, tais como, por exemplo, sistemas do tipo descrito em referência às Figuras 5 e 6.

[0060] Em uma modalidade, para aumentar ainda mais a segurança dos operadores que irão operar na proximidade do manipulador 1, podem ser associados a uma ou mais partes móveis deste último elementos de cobertura que preferencialmente tenham uma estrutura que ceda, ao menos parcialmente.

[0061] Um exemplo deste tipo é representado esquematicamente na Figura 8, onde estão associados ao braço 5 e ao antebraço 7 do manipulador 1 elementos de cobertura, designados por 30, com um formato substancialmente tubular, estes possuindo basicamente a função de atenuar qualquer impacto possível entre as partes supracitadas e um operador. É claro, a conformação específica dos elementos de cobertura 30 providos pode ser diferente daquela exemplificada, em particular de modo a reproduzir o perfil da estrutura do manipulador 1, sem aumentar significativamente o volume deste. Em uma modalidade deste tipo, o sensor ou sensores inerciais do segundo sistema de detecção que equipa o robô de acordo com a invenção pode ser associado ao elemento ou elementos de cobertura providos.

[0062] As características da presente invenção emergem claramente da descrição acima, bem como suas vantagens.

[0063] É claro que diversas variações podem ser feitas por uma profissional do campo ao robô industrial e para o método de controle descrito por meio do exemplo daqui, sem desviar, assim, do escopo da invenção como definida pelas reivindicações que seguem, [0064] Em uma modalidade variante particularmente vantajosa, a unidade de controle do robô de acordo com a invenção é pré-disposta para armazenar informações que representam valores de aceleração medidos por meio do sistema de detecção baseado nos sensores inerciais 21. Esta medida pode se mostrar particularmente útil para os propósitos de diagnóstico e para verificar o estado de serviço e operação do manipulador. Para este propósito, por exemplo, pode ser vislumbrada uma comparação periódica entre valores de aceleração teóricos determinados pelo software de controle do robô e os valores de fato detectados pelos sensores 21, armazenados na unidade de controle 15 e possivelmente processados (por exemplo, para obter valores médios). A respeito disto, deve-se considerar que os sensores 21 são, em todo caso, mantidos ativos durante as operações de usinagem executadas no modo Automático ou Remoto. Podem ser feitas comparações entre os valores teóricos e os reais por meio de um programa de diagnóstico provido com este propósito na unidade de controle 15. A presença de desvios significativos entre os valores esperados e aqueles de fato medidos pode ser considerada como representantes de possíveis problemas da estrutura mecânica do manipulador, por exemplo, por conta da presença de folgas ou de uma estrutura que cede.

[0065] Considerações similares podem ser aplicadas em relação à possibilidade de armazenar informações que representem valores de torque ou absorções de corrente que possam ser medidos por meio do sistema de detecção 22 correspondente, que também podem ser comparados com valores teóricos homólogos para deduzir possíveis condições de falha do manipulador, por conta, por exemplo, de seu desgaste, folga ou de uma estrutura que cede.

[0066] A invenção pode ser aplicada a robôs industriais de diferentes tamanhos e cargas, e, portanto, a ambos robôs para cargas modestas (por exemplo, poucos quilogramas) e robôs para cargas altas (por exemplo, centenas de quilogramas), bem como para robôs de um tipo diferente daqueles antropomórficos exemplificados aqui, por exemplo, robôs com configuração cartesiana, configuração cilíndrica, configuração polar e configuração SCARA (Braço de Robô com Conjunto de Adequação Seletiva, em inglês, Selective Compliance Assembly Robot Arm). Consequentemente, as juntas que conectam as partes rígidas da estrutura móvel do manipulador também podem ser de um tipo diferente de acordo com o tipo de robô, tai como juntas rotativas, juntas prismáticas ou juntas helicoidais.

Claims (11)

1. Robô industrial (1, 15) caracterizado por compreender: • um manipulador (1) com uma série de graus de liberdade (A1 - A6), possuindo uma estrutura mecânica (2) que compreende uma pluralidade de partes móveis (4 - 9), entre as quais um efetor de extremidade (9) e uma ou mais juntas de conexão (11 - 14) acionadas por motores elétricos (11’ - 14') com transdutores (S) de posição correspondente associados; • uma unidade de controle (15) do manipulador (1), compreendendo meios de seleção (17) operáveis por um usuário para a seleção de uma pluralidade de modos de operação possíveis do robô (1, 15), entre os quais, ao menos um modo de operação automático; • um primeiro sistema de detecção (19; 19i; 192; 193 - 194), para detectar a possível presença de um corpo estranho (HO) em uma região de trabalho (20) pré-definida do manipulador (1), em particular, um ser humano; • um segundo sistema de detecção (21), compreendendo um ou mais sensores inerciais instalados no manipulador (1); • um terceiro sistema de detecção (22), compreendendo meios para medir o torque aplicado pelos motores elétricos (11’-14'); em que implementado na unidade de controle (15) está um programa (18) para o controle do manipulador (1), o programa de controle (18) incluindo relações que expressam valores teóricos de posição, velocidade e aceleração de partes (4 -9) da estrutura mecânica (2) e relações que expressam valores teóricos de torque aplicados pelos motores elétricos (11’ - 14'); em que a unidade de controle (15) é pré-disposta para acionar os motores elétricos (11’ - 14') a velocidades de trabalho determinados pelo programa de controle (18) ao menos no modo de operação automático; em que a unidade de controle (15) é pré-disposta de tal forma que, com o robô (1, 15) no modo de operação automática, a detecção pelo primeiro sistema de detecção (19; 19i; 192; 193 - 194) da presença de um corpo estranho (HO) dentro da região de trabalho pré-definida (20) do manipulador (1) determina a seleção de um modo de operação automático de segurança do robô (1, 15); em que, no modo de operação automático de segurança, a unidade de segurança (15) é operacional para: • reduzir as velocidades dos motores elétricos (11’ - 14') para velocidades de segurança determinadas pelo programa de controle (18), não maior do que um limite de velocidade que seja inferior às velocidades de trabalho; • comparar valores de aceleração teóricos determinados pelo programa de controle (18) com valores de aceleração medidos por meio do segundo sistema de detecção (21) para detectar um possível impacto de impulsão da estrutura mecânica contra um corpo estranho (HO); • comparar valores de torque teóricos determinados pelo programa de controle (18) com valores de torque medidos por meio do terceiro sistema de detecção (22) para detectar um possível impacto não impulsivo da estrutura mecânica (2) contra um corpo estranho (HO); e • no caso de detecção de um impacto da estrutura mecânica (2) contra um corpo estranho (HO), parar o movimento da estrutura mecânica (2) e/ou governar a reversão do movimento da estrutura mecânica (2), em particular antes da parada da última.

2. Robô industrial de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o um ou mais sensores inerciais do segundo sistema de detecção (21) são selecionados entre acelerômetros e giroscópios

3. Robô industrial de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o primeiro sistema de detecção (19; 19i; 192; 193 - 194) compreende um ou mais dispositivos selecionados entre dispositivos de sensor de imagem (19), dispositivos de transdutor de força (19i), dispositivos de sensor de feixe de luz ou de barreira de luz (192), e dispositivos de radiofrequência (193 - 194).

4. Robô industrial de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o terceiro sistema de detecção (22) inclui meios para medir a corrente elétrica absorvida pelos motores elétricos (11’- 14’).

5. Robô industrial de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que elementos de cobertura são associados a uma ou mais partes da estrutura mecânica (2), em particular, tais que possuam uma estrutura que ceda.

6. Robô industrial de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o primeiro sistema de detecção compreende um sistema de identificação de radiofrequência (193 - 194).

7. Robô industrial de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o sistema de identificação de radiofrequência (193 - 194) compreende um transponder portátil (193), em particular configurado para ser portado por um operador (HO), e um leitor de transponder (194) instalado na região de trabalho pré-definida (20).

8. Robô industrial de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (15) é pré-disposta para: armazenar ao menos uma das informações que representam valores de aceleração medidos por meio do segundo sistema de detecção (21) e informações que representam valores de torque medidos por meio do terceiro sistema de detecção (22); e utilizar tais informações para propósitos de diagnóstico e/ou propósitos de verificação do estado de operação do manipulador (1).

9. Robô industrial de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o limite de velocidade não é superior a 250 mm/s.

10. Robô industrial de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que compreende ao menos dois sistemas de detecção diferentes (19; 193 - 194) para detectar a possível presença de um operador humano (HO) em uma região de trabalho pré-definida (20) do manipulador (1), um dos dois sistemas de detecção incluindo uma disposição RFID (193 - 194).

11. Método para controlar um robô industrial (1, 15) compreendendo: • um manipulador (1) com uma série de graus de liberdade (Α1 A6), que possui uma estrutura mecânica (2) que compreende uma pluralidade de partes móveis (3 - 9), entre as quais um efetor de extremidade (9) e uma ou mais juntas de conexão (11 - 14) acionadas por motores elétricos (11’ - 14') com transdutores (S) de posição correspondente associados; • uma unidade de controle (15) do manipulador (1), compreendendo meios de seleção (17) operáveis por um usuário para a seleção de uma pluralidade de modos de operação possíveis do robô (1, 15), entre os quais, ao menos um modo de operação automático; o método caracterizado pelo fato de que compreende: • implementar na unidade de controle (15) um programa (18) para controle do manipulador (1), o programa de controle (18) incluindo relações que expressam valores teóricos de posição, velocidade e aceleração de partes (4 - 9) da estrutura mecânica (2) e relações que expressam valores teóricos do torque aplicado pelos motores elétricos (11’ 14'); • acionar os motores elétricos (11 ’-14') a velocidades de trabalho determinadas pelo programa de controle (18) ao menos no modo de operação automática; • fornecer um primeiro sistema de detecção (19; 19i; 192; 193-194) para detectar possível presença de um corpo estranho (HO) dentro de uma região de trabalho (20) pré-definida do manipulador (1), em particular um ser humano; • fornecer um segundo sistema de detecção (21), comnpreendendo um ou mais sensores inerciais instalados no manipulador (1); • fornecer um terceiro sistema de detecção (22), compreendendo meios para medir o torque aplicado pelos motores elétricos (11’ 14'); em que, com o robô (1, 15) no modo de operação automática, a unidade de controle (15) seleciona um modo de operação automático de segurança mediante detecção, por parte do primeiro sistema de detecção (19; 19i; 192; 193 - 194), da presença de um corpo estranho (HO) dentro da região de trabalho pré-definida (20) do manipulador (1); em que, no modo de operação automático de segurança, a unidade de segurança (15): • reduz as velocidades dos motores elétricos (11’ 14') para velocidades de segurança determinadas pelo programa de controle (18), não maior do que um limite de velocidade que seja inferior às velocidades de trabalho; • compara valores de aceleração teóricos determinados pelo programa de controle (18) com valores de aceleração medidos por meio de um segundo sistema de detecção (21) para detectar um possível impacto de impulsão da estrutura mecânica contra um corpo estranho (HO); e • compara valores de torque teóricos determinados pelo programa de controle (18) com valores de aceleração medidos por meio do terceiro sistema de detecção (22) para detectar um possível impacto não impulsivo da estrutura mecânica (2) contra um corpo estranho (HO); e em que, no caso de detecção de um impacto entre a estrutura mecânica (2) e um corpo estranho (HO), a unidade de controle (15) para o movimento da estrutura mecânica (2) e/ou governa a reversão do movimento da estrutura mecânica antes da parada da última.