Projeto mecânico e validação em simulação de um manipulador serial 4R com juntas modulares comerciais

Abstract

Este trabalho apresenta o projeto mecânico e a validação em ambiente de simulação de um manipulador robótico de quatro graus de liberdade (4R), em configuração rotativa com sequência de juntas RzRxRzRx, concebido como plataforma de baixo custo e arquitetura modular. As peças foram modeladas no software SolidWorks e fabricadas pela combinação de manufatura subtrativa e aditiva: os elos em formato L foram usinados em aço SAE 1020, e os acoplamentos que fixam as juntas comerciais Igus ReBeL aos elos foram impressos em 3D em PETG, tendo o protótipo sido parcialmente montado. Para o comando do braço no nível de posição, modelaram-se a cinemática direta e o Jacobiano da configuração RzRxRzRx e implementou-se a cinemática inversa por meio da pseudo-inversa de Moore-Penrose, que traduz a posição desejada do efetuador na configuração de juntas correspondente, tratando a redundância do braço na tarefa de posicionamento. O sistema foi organizado de forma modular sobre o middleware ROS 2, em nós independentes de geração de trajetória, solução cinemática, simulação da planta e análise de desempenho. A validação foi conduzida no simulador Gazebo, no qual a montagem foi reproduzida a partir das malhas exportadas do próprio modelo CAD: verificou-se a ausência de colisões dentro dos limites articulares definidos em projeto e avaliou-se o rastreamento de trajetórias do efetuador, com cada junta representada por um modelo de planta de segunda ordem sob controle PID. A capacidade de carga do braço foi estimada em 2,06 kg a partir do modelo CAD e do torque das juntas, em cálculo que desconsidera os modos de falha do PETG, hipótese amparada por manipuladores impressos nesse material reportados na literatura. A integração eletrônica com o hardware físico, pelo barramento CAN, não foi concluída e é registrada como trabalho futuro.

This work presents the mechanical design and the simulation-based validation of a four-degree-of-freedom (4R) robotic manipulator, in a revolute configuration with an RzRxRzRx joint sequence, conceived as a low-cost, modular platform. The parts were modeled in SolidWorks and manufactured by combining subtractive and additive processes: the L-shaped links were machined from SAE 1020 steel, and the couplings that fasten the commercial Igus ReBeL joints to the links were 3D-printed in PETG, with the prototype undergoing partial assembly. To command the arm at the position level, the forward kinematics and the Jacobian of the RzRxRzRx configuration were modeled, and the inverse kinematics was implemented using the Moore-Penrose pseudo-inverse, which translates the desired end-effector position into the corresponding joint configuration while handling the arm’s redundancy in the positioning task. The system was organized in a modular fashion on the ROS 2 middleware, with independent nodes for trajectory generation, kinematic solution, plant simulation, and performance analysis. Validation was carried out in the Gazebo simulator, in which the assembly was reproduced from meshes exported directly from the CAD model: the absence of collisions within the design joint limits was verified, and the end-effector trajectory tracking was evaluated, with each joint represented by a second-order plant model under PID control. The load capacity of the arm was estimated at 2.06 kg from the CAD model and the joint torques, in a calculation that disregards PETG failure modes an assumption supported by 3D-printed manipulators reported in the literature. The electronic integration with the physical hardware, through the CAN bus, was not completed and is recorded as future work.