Design of the structure of a lightweight robotic manipulator

Abstract

Nas últimas décadas, tem vindo a verificar-se um aumento exponencial na procura por mecanismos automatizados, especialmente robôs. Atualmente, estas máquinas desempenham um papel crucial na maioria dos sistemas produtivos modernos e com o crescente interesse quer pela digitalização, quer pela automação, resultante da revolução industrial em curso, é expectável que esta necessidade apenas tenda a aumentar. Desta forma, também os requisitos exigidos a um robô estão em constante mutação. Presentemente, torna-se muitas vezes pouco viável implementar um robô para desempenhar exclusivamente uma única tarefa, isto é, a versatilidade assume-se cada vez mais como um fator determinante. Assim, idealmente, um robô deverá ser capaz de operar em rede simultaneamente com outros robôs ou até, por vezes, em colaboração direta com o operador. De tal forma, para corresponder a este novo tipo de exigências, robôs com reduzida massa estrutural têm vindo a ser desenvolvidos. Neste contexto, este projeto visa desenhar e fabricar um manipulador robótico de reduzida massa estrutural, com seis graus de liberdade e de baixo custo. O principal objetivo é construir um protótipo compacto, funcional, com uma redundância cinemática similar ao braço humano e que apresente elevada precisão. Nesse sentido, este trabalho incide essencialmente sobre o desenho estrutural e otimização do conjunto, procurando maximizar a capacidade de carga e minimizar o peso global do robô. Além disso, a interface de controlo é também considerada, sendo proposto um sistema de gestos intuitivo e de fácil utilização.

In recent years, we have witnessed a great demand for machines that can perform tasks by themselves, especially robots. Nowadays, these devices are crucial for almost every modern production system and with the Fourth Industrial Revolution taking place, the interest in them (along with automation) only tends to increase. As a consequence, the requirements for current robots are also changing, as years go by. It is no longer enough to have robots that are exclusively designed to perform a single task, today, more than ever, versatility is the key. They must be capable of working alongside other robots or, in a more ideal scenario, operating in close collaboration with humans, which usually demands specified characteristics. Thereby, to satisfy the need for a type of robot that met those requirements, lightweight robots have been developed. In this context, the motivation behind this work is to design and manufacture a compact lightweight robotic manipulator, with six degrees of freedom, at a low cost. The main target is to develop a fully functional prototype, with a kinematic redundancy similar to the human arm, that is capable of delivering high precision. The structural design and its optimization are the major subjects of this dissertation, which seeks to accomplish the best global performance possible while enhancing features such as high payload and low weight. Additionally, an easy-to-use and effective gesture-controlled user interface is also proposed, allowing a more intuitive experience for the operator.