Sensores, Atuadores e Unidades de Controle
Autor: Jonatas (JAF) | Publicado: 2012-07-12T14:51:00-03:00

Os sensores são transdutores, ou
seja, conversores de grandezas físicas em sinais elétricos correspondentes. Os atuadores são componentes que realizam a conversão da
energia elétrica, hidráulica, pneumática em energia mecânica. 
Já unidade de controle é responsável pelo gerenciamento
e monitoramento dos parâmetros operacionais requeridos para realizar as tarefas
do sistema.

Este artigo aborda de modo resumido os conceitos básicos sobre sensores, atuadores e as unidades de controle encontrados em sistemas de automação, sistemas embarcados e na robótica. 














&nbsp;Sensores&nbsp;

&nbsp;Sensores são transdutores, ou
seja, conversores de grandezas físicas em sinais elétricos correspondentes. Um
robô é equipado com sensores para monitorar a velocidade com que se move, a
posição em que se encontra, a localização de uma peça a ser manipulada, as
dimensões da peça, a aproximação de um ser humano, e o impacto com um obstáculo
(MORAES, 2003). 










Sensores externos e internos.

Segundo Isabel
Ribeiro (2004) Os sensores poder ser classificados como:

Sensores externos que lidam com a observação de
aspectos do mundo exterior ao robô. Sensores de contato, de proximidade, de
força, de distância, de laser, de ultra-som, de infravermelhos e sensores
químicos são exemplos de sensores externos (RIBEIRO, 2004).
Sensores internos que fornecem informação sobre
os parâmetros internos do robô, como por exemplo, a velocidade ou sentido de
rotação de um motor, ou o ângulo de uma junta. Potenciômetros, codificadores (encoders)
e os sensores inerciais (incluindo acelerômetros, giroscópios, inclinômetros e
bússolas), são exemplos de sensores internos.











Encoders

Os encoders são
dispositivos eletromecânicos usados para servoposicionamento dos eixos do robô.
São eles que fornecem os dados de posição para o controle de acionamento dos
motores. Um encoder típico usa sensores óticos para fornecer uma série de
pulsos que são traduzidos em movimento, posição ou direção (MORAES, 2003).



Os encoders
podem ser classificados de acordo com o tipo de funcionamento como: incremental
ou absoluto. Enquanto o encoder incremental possibilita detectar apenas a
mudança de posição, os encoders absolutos indicam a posição real do objeto
(BRAGA, 2009).



O encoder
incremental fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados em 90º, que são
chamados usualmente de canal A e canal B. A leitura de somente um canal fornece
apenas a velocidade ou deslocamento, enquanto que a leitura dos dois canais
fornece também o sentido do movimento (MATIAS, 2002).




Figura 8: Principio de Funcionamento de um Encoder
Fonte: Matias (2002)


Na figura abaixo observa-se
a estrutura interna de um encoder e o seu funcionamento.



  
 



O sentido do
movimento é determinado pela fase dos canais, ou seja, se o canal A estiver 90º
avançado em relação ao canal B, o encoder estará girando no sentido horário.
Porém se o canal A estiver atrasado 90º em relação ao canal B, o encoder estará
girando no sentido anti-horário (MATIAS, 2002).&nbsp;



Na Figura 9 é possível
visualizar o comportamento dos sinais A e B de acordo com o sentido do
movimento. Já na Figura 10 são apresentados os aspectos físicos de alguns
encoders encontrados em aplicações práticas.

 

  




  


  
 

  


Figura
  9: Defasagem dos Sinais A e B de um
  Encoder.

  


  
 

  




  
 

  
Figura 10: Aspecto físico de alguns encoders industriais 

  
 

  
Fonte:
  Adaptado de Braga (2009).

  
 












Sensores ativos e passivos

Os sensores
também podem ser classificados de acordo com o modo como gerem a energia
envolvida no processo de sensoriamento.

·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
Sensores
ativos medem através da emissão de energia para o ambiente ou por
modificarem o ambiente, como por exemplo sensores laser, sensores de ultra-som
e os sensores de contato.

·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
Sensores
passivos não emitem energia, mas pelo contrario, recebem energia do
ambiente (RIBEIRO, 2004). Um exemplo de sensor passivo são os sensores ópticos
que recebem do ambiente a luminosidade necessária para o acionamento dos
mesmos.










Sensores de distância, de posicionamento absoluto,
ambientais e inerciais

Outra
classificação agrupa os sensores pelo tipo de grandeza que avaliam. Assim, há
sensores de distância (laser, ultra-som), sensores de posicionamento absoluto
do robô (por exemplos sistemas de GPS), sensores ambientais (que indicam
temperatura, umidade), sensores inerciais (que indicam componentes diferenciais
da posição do robô como, por exemplo, aceleração ou velocidade) (RIBEIRO,
2004). 











Atuadores
Os atuadores são componentes que realizam a conversão da
energia elétrica, hidráulica, pneumática em energia mecânica. A potência mecânica
gerada pelos atuadores é enviada aos elos através dos sistemas de transmissão para
que os mesmos se movimentem.&nbsp;



É possível classificar os atuadores de acordo com o tipo
de energia que utiliza. A escolha do tipo de atuador mais indicado está
relacionada com a esta classificação.

Atuadores Hidráulicos: utilizam um fluido à
pressão para movimentar o braço. São utilizados em robô que operam grandes
cargas, onde é necessária grande potência e velocidade, mas oferecem baixa
precisão. 
Atuadores Pneumáticos: utilizam um gás à pressão
para movimentar o braço. São mais baratos que os hidráulicos, sendo usados em
robôs de pequeno porte.&nbsp; Oferecem baixa
precisão, ficando limitados a operações do tipo pega-e-coloca (do inglês, pick and place).
Atuadores Eletromagnéticos: motores elétricos
(de passo, servos, Corrente Continua ou Corrente Alternada) ou músculos
artificiais, usados em robôs de pequeno e médio porte.&nbsp; 


Os motores de corrente contínua (CC) são compactos e
geralmente o valor de torque mantém-se numa faixa constante para grandes
variações de velocidade, porém necessitam de sensores de posição angular
(encoder) ou de velocidade (tacômetro) para controle de posição ou velocidade
em malha fechada (servocontrole).

Uma alternativa mais simples consiste em usar motores de
passo. Os mesmo podem funcionar em controle de malha aberta (posição e
velocidade), e são facilmente interligados a unidades de comando de baixo
custo, porém a curva de torque decresce com o aumento da velocidade e, em
baixas velocidades, podem gerar vibrações mecânicas. São mais empregados na
movimentação de garras (FELIZARDO; BRACARENSE, 2005).








Unidade de Controle
Um sistema de controle consiste de subsistemas e
processos (ou plantas) reunidos com o propósito de controlar as saídas dos
processos, onde uma entrada de referência é comparada com a saída do sistema,
gerando um sinal de erro. O elemento controlador trata estes sinais que
posteriormente são amplificados e enviados aos atuadores do sistema (OGATA,
1997).










Assim, a unidade de controle responde pelo gerenciamento
e monitoramento dos parâmetros operacionais requeridos para realizar as tarefas
do robô. Os comandos de movimentação enviados aos atuadores são originados de
controladores de movimento e baseados em informações obtidas pelos sensores
(FELIZARDO; BRACARENSE, 2005).



A Figura 11
ilustra um modelo de sistema de controle de um robô utilizando processamento de
imagem como um dos parâmetros de realimentação.

 

  


 

  
Figura 11: Sistema de Controle de Posição de
  um Robô Industrial 

 

  
Fonte: Adaptado de Ogata (1997)



 


Como exemplo de unidade controle, citam-se os
computadores industriais, CLP, placa controladora de passo e os sistemas
embarcados.





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Referências&nbsp;














BRAGA, Newton C. Como funcionam os Encoders Mecatrônica Fácil. São Paulo, n. 50, p.
16-19, outubro de 2009.

























FELIZARDO, Ivanilza Felizardo; BRACARENSE,
Alexandre Queiroz. Processos de Soldagem
- Processos Mecanizados e Automatizados. Apostila. 2005.&nbsp; Disponível em: &lt;http://ivanilzafe.dominiotemporario.com/soldagem_20.html&gt;.
Acessado em 15 de março de 2012.





MATIAS, Juliano. Encoders. Mecatrônica Atual. São Paulo, n. 3, p. 36-42, Abril de
2002.





MORAES, Airton Almeida de Moraes. Robótica. Departamento de Meios
Educacionais e Gerência de Educação, Diretoria Técnica do SENAI-SP. Serviço
Nacional de Aprendizagem Industrial, 2003. Apostila. Disponível em &lt; http://www.adororobotica.com/RBSENAI.pdf&gt;.
Acessado em: 15 de março de 2012.



OGATA, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. Tradução de Prof. Bernardo
Severo. Rio de Janeiro: LTC Editora, 1998.














RIBEIRO, M. Isabel. Sensores em Robótica, Enciclopédia Nova Activa Multimédia, Volume
de Tecnologias, pags. 228-229. Portugal, 2004.