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Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Profs. Drs. José António Tenreiro Machado e Martins de Carvalho

Na área da automação industrial e da robótica, existe a vertente da manipulação, que consiste na utilização de um braço robótico para a orientação e agarre dos objetos desejados por meio de atuadores, tais como vácuo, dedos, entre outros. Alguns objetos, como peças cerâmicas frágeis e de superfície lisa, requerem especial atenção face à força e ao método de agarre exercido sobre estes, onde para tal, existem garras equipadas com sensores de carga capazes de avaliar os valores de carga exercida pelos atuadores da garra sobre o objeto a ser manipulado. O presente documento encontra-se dividido em duas partes principais, o estado de arte e a demonstração das atividades desenvolvidas, sendo que serão abordados três projetos principais. Estes projetos são a criação de uma réplica digital de um processo de encaixotamento de azulejos, o desenvolvimento de uma garra ventosa rotativa e de uma garra do tipo impacto de três dedos com acionamento independente e capacidade sensorial de carga para aplicar em robôs manipuladores. Os principais objetivos da realização do estágio foram adquirir conhecimentos gerais na área da automação industrial e robótica referentes à indústria 4.0, e a obtenção de experiência do mercado de trabalho. Por sua vez, estes objetivos foram realizados através da aquisição de vários conhecimentos proporcionados pela experiência de trabalhadores e engenheiros da empresa onde ocorreu o estágio.

O presente relatório surge com o objetivo de apresentar o Estágio Curricular desenvolvido no Centro Tecnológico de Cerâmica e Vidro (CTCV), a fim de obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica com especialização em Automação e Comunicações em Sistemas Industriais. Apresenta vários sistemas, criados para a inserção da automação na indústria de cerâmica, desde processos de vidragem por mergulho, a inspeção autónoma na tarefa de localização automática e a avaliação de defeitos na superfície de peças cerâmicas. Consta de uma explicação/apresentação do processo de automação, que recorre a sistemas robóticos, inteligência artificial, redes de comunicação, entre outros, criando processos mais autónomos e menos dependentes de mão de obra. A inclusão da automação tem um papel fundamental, uma vez que utiliza um conjunto de técnicas destinadas a tornar automática a realização de tarefas.

Dada a constante evolução da indústria é cada vez mais importante automatizar as tarefas mais monótonas e repetitivas. Como solução as empresas têm vindo a recorrer à implementação de sistemas robóticos, principalmente com a utilização de robôs industriais. Desta forma, o presente relatório tem como objetivo descrever as tarefas desempenhadas no âmbito do estágio curricular do Mestrado em Engenharia Eletrotécnica, com especialização em Automação e Comunicações em Sistemas Industriais desenvolvido na empresa Robowork – Solutions and Services, que tem como principal atividade o desenvolvimento e comercialização de células industriais. O referido estágio teve como principal objetivo aprofundar conhecimentos nas áreas de automação e robótica industrial, tendo como principal enfase a robótica industrial, através da colaboração em diversos projetos. Nomeadamente num projeto com utilização de dois robôs ABB para manipulação de caixas de cartão e num projeto no qual foram implementados dois robôs Yaskawa Motoman para efetuar a lixagem de comboios. Considera-se que o presente estágio curricular foi uma mais-valia, permitindo assim consolidar conhecimentos obtidos durante a formação académica bem como a obtenção de outros, nomeadamente na área da robótica. Adicionalmente, o estágio efetuado permitiu um contacto inicial com a indústria, sendo assim possível observar a clara distinção entre o ambiente de formação académica e o ambiente profissional.

O presente documento descreve as atividades desenvolvidas no estágio curricular no âmbito da componente Projeto/Estágio/Dissertação do plano de estudos do Mestrado em Engenharia Eletrotécnica (MEE) no ramo de Comunicação e Automação em Sistemas Industriais, ministrado pelo Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC). O estágio decorreu na empresa Mesa Ceramics situada no Eco Parque empresarial de Estarreja. Numa primeira abordagem é efetuada uma contextualização global do conteúdo do documento. Na análise do Estado da Arte são expostas as três principais temáticas abordadas. Estas temáticas são: Manutenção, Aplicações web e Sistemas robóticos. Por último descrevem-se as atividades desenvolvidas ao longo do estágio, das quais se destaca a construção e o uso de uma aplicação para auxiliar a gestão da manutenção e o controlo de sistemas robóticos.

Os avanços tecnológicos alcançados ao longo dos anos mudaram a forma como se encara os processos produtivos. Atualmente, as tecnologias de produção são completamente diferentes do passado. As novas tecnologias de produção mudaram fundamentalmente as condições de trabalho e o estilo de vida das pessoas. A mudança do estilo de vida surge como consequência da capacidade de inovação e implementação de novas dinâmicas na indústria. Esta nova indústria desenvolveu sistemas mais capazes e melhorou a qualidade dos produtos que chegam até as pessoas. A automação industrial e os sistemas robóticos trouxeram mais robustez, mais eficiência e mais garantia de segurança ao setor industrial. Atualmente, a indústria é caracterizada pela exatidão e repetibilidade de processos, o que é uma mais-valia quando se fala em volume, rapidez e qualidade de produtos, substituindo outras ferramentas menos adequadas ou a mão-de-obra humana. O objetivo deste trabalho é apresentar algum do trabalho desenvolvido durante a realização do estágio curricular na empresa Real Robotic Systems no âmbito do Mestrado em Engenharia Eletrotécnica - Área de Especialização em Automação e Comunicações em Sistemas Industriais. Abrangendo a área de automação e robótica este trabalho apresenta algumas soluções de automação e robótica para a indústria no seu geral. Deste modo, o documento pretende mostrar a simbiose entre o operador, os sistemas de automação e robótica, os dispositivos táteis e as ferramentas de trabalho. Como exemplo, este documento apresenta um trabalho de automação desenvolvido para um processo de automação de corte de metal, através de um serrote semiautomático e o desenvolvimento de um projeto de robótica para uma célula de produção.

A indústria está em constante mudança e as revoluções industriais são a prova disso. Desde o surgimento da industrialização que o objetivo da indústria é aumentar a produtividade. A automação industrial e a robótica são fulcrais para esse aumento de produtividade, sendo indispensáveis na produção hoje em dia. Este relatório surge da realização de um estágio curricular para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Electrotécnica, na área de especialização em Automação e Comunicações em Sistemas Industriais, desenvolvido na empresa Real Robotic Systems, Lda. Um dos principais objetivos do estágio foi adquirir conhecimentos gerais das atividades da empresa, desenvolvendo tarefas que permitiram ganhar um maior conhecimento na área da automação industrial e robótica, entre outras tecnologias da indústria 4.0. Este relatório de estágio está dividido em duas grandes partes, o enquadramento teórico-concetual e a apresentação das atividades desenvolvidas. Dentro das atividades desenvolvidas, são explicadas duas no decorrer do estágio, sendo que uma foi desenvolvida em teletrabalho e a outra no chão de fábrica. A primeira atividade é uma aplicação inovadora que permite realizar a conversão de linguagens de programação, de robôs industriais, entre diferentes modelos de controladores de sistemas robóticos. A segunda atividade foi desenvolvida no chão de fábrica e é um processo que interliga tecnologias de diferentes épocas, como um PLC com mais de 10 anos de idade e um robô colaborativo, e, ainda assim, se apresenta como uma solução atual e flexível como exigido atualmente pela indústria 4.0. O estágio revelou-se uma mais-valia pelos conhecimentos adquiridos e o contacto com múltiplas tecnologias, levando à aprendizagem de novas formas de programar, o que permitiu quebrar novos paradigmas que me levaram a ganhar experiência profissional.

No estado atual em que vivemos, a área da saúde é maioritariamente suportada à base de máquinas. Tudo tem o seu tempo de vida, e os dispositivos médicos não são exceção, daí falar-se do conceito de manutenção. É necessário averiguar o estado/funcionamento dos equipamentos com alguma regularidade de modo a manter ou melhorar os seus tempos de vida. Esta ideia de manutenção tem vindo a ganhar cada vez mais importância, uma vez que os sistemas de saúde tentam racionalizar ao máximo os seus materiais. A importância da manutenção está diretamente relacionada com a importância de uma vida humana, pois se for garantindo um bom funcionamento do equipamento de alto risco, a probabilidade de ele falhar nos momentos de suporte e apoio à vida torna-se muito baixa. Para além de ser muito importante na saúde, é um território que está em constante evolução quer no conhecimento, responsabilidade e aquisição de novas técnicas de trabalho. É no seguimento do mestrado em Instrumentação Biomédica no Instituto Superior de Engenharia de Coimbra que surge a oportunidade de realizar um estágio curricular, e havendo opções de estágios no âmbito da manutenção de equipamentos médicos, a escolha tornou-se fácil, dada à sua importância. Esta escolha foi tomada com o objetivo de adquirir mais conhecimentos sobre a manutenção dos equipamentos médicos, obter novas competências e lidar com um mundo novo, o mundo do trabalho. Afirmo que, no decorrer deste estágio, lidei com uma vasta diversidade de aparelhos médicos, o que traz as suas vantagens e desvantagens. Bom no sentido de conhecimento alargado, mas menos bom no que diz respeito à aprendizagem detalhada do funcionamento de um só equipamento. Visto que observei maioritariamente manutenções em esterilizadores, o relatório mostrará três partes principais: manutenção e seus conceitos; esterilização e outras manutenções realizadas.

A necessidade de reduzir o consumo de energia torna-se fulcral efetuar a monitorização dos consumos de energia elétrica em edifícios bem como em grandes complexos com vista a otimização da energia, pretende-se projetar um sistema, designado por “Energy Analyser”, que permita monitorizar a energia de vários consumidores descentralizados e agregar todas as informações recolhidas num único local, evitando assim a necessidade de efetuar leituras locais. Desta forma, para além de não ser necessário destacar um funcionário para efetuar essas mesmas leituras, o “Energy Analyser” irá apresentar os parâmetros elétricos que estão a ser recolhidos por analisadores de energia elétrica instalados no sistema, efetuar diagramas de carga para posterior análise, registar os parâmetros elétricos de um intervalo de tempo e disponibilizar também a funcionalidade de impressão de todas as informações inerentes a cada leitura efetuada. O “Energy Analyser” suporta um número ilimitado de analisadores de energia e é completamente personalizável.

Este estudo tem como objetivo identificar atividades diárias de diferentes pessoas com recurso a métodos de classificação supervisionados. Neste sentido, começou-se por analisar várias tecnologias associadas à captura e análise do movimento humano, tais como sensores (e.g., inertial measurement unit) e câmaras de filmar (e.g., RGB, infravermelhos e time-of-flight). A revisão da literatura indica claramente que, contrariamente ao uso das câmaras de filmar, a tecnologia wearable tende a ser mais adequada para a análise cinemática de movimentos desportivos. Este tipo de tecnologia permite ainda obter uma estimativa da orientação e produção de movimento dos membros superiores e inferiores com elevado nível de precisão e exatidão, bem como imunidade a ângulos mortos, aumentando deste modo a quantidade e qualidade da informação obtida. Tendo isto presente, este trabalho apresenta uma metodologia para classificar atividades diárias do movimento humano com recurso a um fato sensorial (wearable), Ingeniarius FatoXtract. O desempenho da solução proposta é ainda comparado com a utilização de uma câmara time-of-flight, Microsoft Kinect v2. A metodologia proposta considera a integração probabilística de três classificadores: o Naïve Bayes, as Redes Neuronais Artificiais e as Máquinas de Vetor de Suporte. Com vista a alcançar um desempenho superior na classificação geral do movimento, foram consideradas diversas features no domínio do tempo (e.g., velocidade) e no domínio da frequência (e.g., Transformada Rápida de Fourier), combinado com as tradicionais features geométricas (e.g., posição angular das juntas). Realizou-se a aquisição de dados de cinco atividades comuns do dia-a-dia, realizadas por seis participantes com repetições de 20 ensaios cada, usando o FatoXtract e o Kinect v2. O conjunto de dados foi projetado para ser extremamente desafiador, uma vez que a duração das atividades varia drasticamente e algumas atividades são muito semelhantes (e.g., lavar os dentes e acenar).

A gestão das identificações e acessos é um grande desafio no ensino superior desde que foram exigidas diferenciações de diferentes utilizadores, bem como implementações políticas de acesso a diferentes zonas, dependendo do utilizador, estudante ou funcionário da instituição (como trabalhadores ou professores). Além disso, somente pessoas autorizadas (e.g., professores) podem efetuar algumas ações ou ter acesso a zonas específicas dentro do ambiente educacional. Este projeto de tese (Costa, et al., 2010) apresenta o desenvolvimento de um sistema de controlo e gestão de acessos de baixo custo integrado no ambiente educacional. Além de descrever o controlo de acesso a salas de aulas, laboratórios e departamentos, este trabalho é focado no registo das presenças dos alunos em aulas e nalguns espaços controlados, no registo de presença de trabalhadores da instituição, bem como a gestão do parque de estacionamento dentro do campus do ISEC. Depois de desenvolvidos os protótipos, estes foram implementados no Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, onde vieram a ser aperfeiçoados e testados e se revelaram fiáveis, com um bom funcionamento e capaz de monitorizar e fazer a gestão do controlo de acessos.