Sensores de Torque para Cobots

Arthur Vignolles, Gerente de Engenharia de Desenvolvimento de Produtos, TE Connectivity

Ricardo Garcia, Gerente de Produtos - Sensores de Força e de Torque, TE Connectivity

Com a evolução da Indústria 4.0, o uso de robôs mais sofisticados, bem como de sistemas avançados de automação e controle nas aplicações industriais, se torna mais comum à medida que as empresas continuam sua busca para aumentar a eficiência e a lucratividade. O avanço da tecnologia automatizada ajudou a impulsionar o desenvolvimento de robôs colaborativos. Robôs colaborativos, ou cobots, são robôs que podem trabalhar ao lado de humanos ou com eles. O objetivo dos cobots é interagir e auxiliar os trabalhadores, em vez de serem equipamentos automatizados autônomos com pouca ou nenhuma interação humana. Historicamente, essa interação era limitada por preocupações de segurança e por não ser possível ter humanos e robôs trabalhando juntos de forma eficaz e eficiente.

Hoje, os cobots oferecem uma flexibilidade muito maior no local de trabalho. Além de não ser mais necessário usar gaiolas de proteção para fins de segurança, os cobots são projetados para trabalhar em perfeita integração com humanos. Juntos, eles podem concluir tarefas que nem humanos nem robôs poderiam realizar por conta própria. Essa flexibilidade também ajuda a aumentar o retorno sobre o investimento (ROI) devido ao aumento da produtividade e à redução dos custos de mão de obra. Esses cobots também podem lidar com tarefas complexas ou perigosas nas fábricas
que não podem ser realizadas por trabalhadores humanos ou que eles não podem executar com segurança. Por exemplo, os cobots podem realizar cirurgias com um grau de precisão e firmeza que está além das capacidades até mesmo do melhor cirurgião humano. No que diz respeito à segurança, os cobots podem lidar com materiais tóxicos e operar em ambientes que não são adequados para humanos. 

Desde operações de fabricação de produtos até aplicações de embalagens industriais, entre várias outras, os cobots desempenham um papel significativo no aumento da produtividade no local de trabalho. À medida que as empresas continuam a encontrar novas formas de integrar cobots e se compreende melhor as vantagens de sua utilização, vemos um enorme crescimento em sua implantação nas fábricas. De acordo com a International Federation of Robotics (IFR), 22 mil cobots foram instalados em 2020, 11 mil a mais que em 2017. Além disso, as vendas globais de robôs colaborativos cresceram mais de 25% desde 2018, embora o mercado global de robôs industriais tenha observado uma desaceleração induzida pela pandemia.  Em termos de crescimento futuro, as vendas de cobots no mercado chinês devem crescer 30% nos próximos cinco anos. Esse aumento no uso de cobots colocou em foco regulamentos que possam confirmar a segurança do ambiente de trabalho e proteger o pessoal que trabalha ao lado dos cobots.

Com a criação e expansão de requisitos de segurança, novas tecnologias para ajudar a monitorar e controlar os cobots são integradas a essas máquinas. Um exemplo disso é um sensor de torque que monitora o torque mecânico em diversos pontos de rotação do pivô em um cobot. O sensor de torque se baseia em uma célula de carga integrada por MEMS que pode transformar o torque mecânico em um sinal de saída digital proporcional ao torque aplicado. Esses sensores de torque são usados dentro de cobots para detectar condições em que o nível de torque é suficientemente alto para ser nocivo a um ser humano em uma aplicação colaborativa em que o nível de torque poderia danificar o próprio cobot.

O sensor de torque de segurança TE começa com uma flexão de peça única projetada para transformar o torque rotacional em deformação mecânica. Extensômetros piezorresistivos são anexados às áreas de flexão e montados em uma configuração de ponte de Wheatstone de forma que a tensão mecânica possa ser transformada em uma saída mV/V. Duas pequenas PCIs abrigam um ASIC (Application Specific Integrated Circuit – Circuito integrado específico da aplicação) e outros componentes elétricos. O sinal mV/V bruto é compensado, amplificado e digitalizado em formato I2C e os dados são disponibilizados no barramento. Dependendo da aplicação, pode ser estabelecido um limiar de torque que permitirá que o cobot seja desligado antes que qualquer humano seja ferido ou que qualquer dano ocorra ao próprio cobot.

Sensores de torque de segurança são tipicamente integrados às unidades das juntas do cobot. A unidade da junta é um sistema completo que normalmente inclui um ou mais sensores angulares, bem como um motor e uma caixa de engrenagens. A unidade da junta aciona o movimento de cada braço do robô, enquanto o sensor de torque é usado para detectar o torque no motor e na caixa de engrenagens. O nível de torque é utilizado pelo circuito de controle para desligar a junta para evitar danos ao próprio braço ou, em caso de uso colaborativo, o trabalhador envolvido.

A utilização de sensores de torque em aplicações de cobots tem sido impulsionada pelas vantagens que esses sensores proporcionam ao sistema. Os sensores de torque permitem tempo de resposta mais curto e precisão melhorada, o que leva a um sistema de cobots mais seguro e confiável, bem como ao aumento da segurança humana. O uso de um sensor de torque em cada junta do braço permite a detecção direta de força externa ou torque exercido no braço, em vez de depender de cálculos complexos derivados de correntes do motor.  Isso permite uma parada muito rápida do contato e, portanto, possibilitar o movimento mais rápido do braço em situações colaborativas onde é necessário limitar as forças em qualquer contato humano. Outra vantagem é encontrado quando o cobot está operando no modo de flexibilidade. A flexibilidade ativa permite que o braço seja guiado manualmente (programação do tipo lead-through), simplificando o processo de ensino de novas tarefas ao cobot. A detecção direta do torque da junta permite o controle suave e preciso do movimento do braço à medida que ele é guiado.       

Os sensores de torque de segurança da TE foram projetados para fornecer dados precisos de torque e, ao mesmo tempo, minimizar erros de carga cruzada (carga axial, carga radial e momento de inclinação), podendo ainda atual como uma parede de vedação na caixa de engrenagens. Para atender aos requisitos de segurança funcional até a norma ISO13849 Categoria 3 PL d, o design se baseia em um sistema de canal duplo e inclui outros recursos para detectar qualquer falha relacionada à segurança. O sensor de segurança de torque da TE está liderando o caminho para melhorar a segurança e a confiabilidade nos cobots conforme essas máquinas continuam a impulsionar a evolução da Indústria 4.0.