Avaliação experimental de um robô para posicionamento de sonda coletora de amostras de grãos

Abstract

Este trabalho trata da avaliação experimental de um robô empregado como prova de conceito para o posicionamento automatizado de uma sonda coletora de amostras de grãos em unidades armazenadoras. A proposta visa substituir o processo manual de coleta, que apresenta baixa repetibilidade e impõe riscos aos operadores, como quedas devido ao trabalho em altura, inalação de poeira e partículas potencialmente alergênicas, esforço físico repetitivo e exposição prolongada a condições ambientais adversas, por uma solução automatizada com maior precisão e segurança. O robô avaliado possui três graus de liberdade, com duas juntas de revolução acionadas por atuadores hidráulicos e uma junta prismática acionada pneumaticamente. O controle adotado combina um controlador Proporcional-Integrativo com a compensação das características não-lineares de zona morta das válvulas de acionamento. Para o planejamento da trajetória do robô, empregam-se perfis de referência do tipo polinomial de sétimo grau e rampa linear, com pontos predefinidos que simulam posições da sonda coletora ao longo da carroceria de um caminhão graneleiro. A metodologia adotada integra um estudo sobre as inovações e necessidades do mercado perante a atividade, além da modelagem matemática e a execução dos ensaios na bancada experimental com o robô. Durante os ensaios, adquiram-se os sinais de posição das juntas do robô, as pressões nas câmaras de cada atuador e os sinais de controle aplicados às válvulas, possibilitando a avaliação do comportamento dinâmico do sistema e a comparação entre a trajetória desejada e a trajetória efetivamente executada. Os resultados obtidos indicam que o robô é capaz de seguir a trajetória de referência com erros compatíveis com os requisitos da aplicação proposta. A configuração cinemática adotada para a prova de conceito do robô demonstrou ser adequada para a execução da tarefa. A avaliação global do sistema evidencia que a estratégia de controle implementada, associada aos modelos de planejamento de trajetória adotados, pode viabilizar a automação do processo de coleta de amostras, reduzir a intervenção humana e aumentar a eficiência operacional em unidades armazenadoras de grãos a granel.

Abstract: This study presents the experimental evaluation of a robot developed as a proof of concept for the automated positioning of a grain sampling probe in storage units. The proposed solution aims to replace the manual sampling process, which exhibits low repeatability and poses risks to operators, such as falls from working at height, inhalation of dust and potentially allergenic particles, repetitive physical strain, and prolonged exposure to adverse environmental conditions, with an automated system offering greater precision and safety. The evaluated robot has three degrees of freedom, with two revolute joints actuated by hydraulic actuators and one prismatic joint actuated pneumatically. The adopted control strategy combines a Proportional-Integral controller with dead zone compensation for the actuation valves. Trajectory planning employs seventh-degree polynomial and linear ramp reference profiles, with predefined points simulating probe positions along the body of a grain truck. The methodology integrates a study of market innovations and requirements for this activity, mathematical modeling of the system, and execution of experimental tests on the robot in a dedicated laboratory setup. During testing, joint position signals, actuator chamber pressures, and control signals applied to the valves were acquired, enabling evaluation of the system?s dynamic behavior and comparison between the desired and actual trajectories. The results indicate that the robot can follow the reference trajectory with errors compatible with the requirements of the proposed application. The adopted kinematic configuration proved adequate for executing the task in this proof-of-concept stage. Overall, the system evaluation shows that the implemented control strategy, combined with the adopted trajectory planning models, can enable the automation of the sampling process, reduce human intervention, and increase operational efficiency in bulk grain storage units.