OTIMIZAÇÃO CINEMÁTICA INVERSA ALGORITMOS COM A.G., SEGURANÇA DE TRAJETÓRIAS EM MANIPULADORES ROBÓTICOS EDUCACIONAIS E INDUSTRIAIS: COM LSPB X POLINÔMIO DE 5ª ORDEM - Atena EditoraAtena Editora

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OTIMIZAÇÃO CINEMÁTICA INVERSA ALGORITMOS COM A.G., SEGURANÇA DE TRAJETÓRIAS EM MANIPULADORES ROBÓTICOS EDUCACIONAIS E INDUSTRIAIS: COM LSPB X POLINÔMIO DE 5ª ORDEM

Este artigo analisa a otimização da cinemática inversa por Algoritmo Genético (AG) e a segurança de trajetórias em um manipulador robótico serial de quatro graus de liberdade, desenvolvido em escala didática, mas com potencial de transposição conceitual para aplicações industriais. O estudo integra a solução da cinemática inversa, baseada na minimização do erro cartesiano entre o ponto-alvo e o ponto alcançado pelo efetuador final, ao planejamento temporal de movimento por LSPB (Linear Segment with Parabolic Blends), comparando esse perfil com o planejamento clássico por polinômio de quinta ordem. A metodologia é analítico-computacional e combina modelagem geométrica aproximada, representação de Denavit-Hartenberg, interpretação da cinemática inversa por Álgebra Geométrica Conforme, função de aptidão com penalidades associadas ao erro de posicionamento, limites articulares e restrições cinemáticas, além da avaliação de critérios de segurança relacionados à velocidade, aceleração, jerk, suavidade do movimento, repetibilidade, integridade mecânica e necessidade de validação experimental. Os resultados preliminares indicam erro planar de 0,0028 cm, equivalente a 0,028 mm, entre o ponto-alvo e o ponto obtido pela solução computacional. Esse valor deve ser interpretado como validação numérica em ambiente de simulação, não como precisão física assegurada do protótipo. A comparação entre os métodos mostra que a associação AG + LSPB favorece simplicidade computacional, previsibilidade das fases de aceleração, velocidade constante e desaceleração, além de adequada aplicação em bancadas educacionais e protótipos de baixo custo. Por outro lado, o polinômio de quinta ordem apresenta maior suavidade nas condições de contorno, com continuidade de posição, velocidade e aceleração, reduzindo a tendência a choques mecânicos e tornando-se mais apropriado quando a suavidade dinâmica é requisito prioritário. Conclui-se que a abordagem baseada em AG + LSPB é adequada para ensino, prototipagem, validação numérica e análise inicial de trajetórias, enquanto aplicações industriais demandam calibração do modelo cinemático, ensaios de repetibilidade, avaliação formal de risco, limites reais dos atuadores, parada de emergência, controle seguro e conformidade com normas aplicáveis a robôs e células robotizadas. Como trabalhos futuros, recomenda-se validar experimentalmente os resultados simulados, comparar diferentes perfis de trajetória e incorporar métricas quantitativas de segurança, precisão e desempenho dinâmico.
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OTIMIZAÇÃO CINEMÁTICA INVERSA ALGORITMOS COM A.G., SEGURANÇA DE TRAJETÓRIAS EM MANIPULADORES ROBÓTICOS EDUCACIONAIS E INDUSTRIAIS: COM LSPB X POLINÔMIO DE 5ª ORDEM

  • DOI: https://doi.org/10.22533/at.ed.080112613012

  • Palavras-chave: Manipulador Robótico; Segurança Robótica; Algoritmo Genético; LSPB; Polinômio De Quinta Ordem.

  • Keywords: Robotic Manipulator; Robotic Safety; Genetic Algorithm; LSPB; Fifth-Order Polynomial.

  • Abstract: This article analyses the optimization of inverse kinematics using a Genetic Algorithm (GA) and trajectory safety in a four-degree-of-freedom serial robotic manipulator, developed on an educational scale but with potential conceptual transfer to industrial applications. The study integrates the inverse kinematics solution, based on minimizing the Cartesian error between the target point and the point reached by the end effector, with temporal motion planning using LSPB (Linear Segment with Parabolic Blends), comparing this profile with classical fifth-order polynomial planning. The methodology is analytical-computational and combines approximate geometric modelling, Denavit-Hartenberg representation, interpretation of inverse kinematics through Conformal Geometric Algebra, a fitness function with penalties associated with positioning error, joint limits, and kinematic constraints, as well as the evaluation of safety criteria related to velocity, acceleration, jerk, motion smoothness, repeatability, mechanical integrity, and the need for experimental validation. The preliminary results indicate a planar error of 0.0028 cm, equivalent to 0.028 mm, between the target point and the point obtained by the computational solution. This value should be interpreted as numerical validation in a simulation environment, not as guaranteed physical accuracy of the prototype. The comparison between the methods shows that the GA + LSPB association favors computational simplicity, predictability of the acceleration, constant-velocity, and deceleration phases, as well as adequate application in educational benches and low-cost prototypes. On the other hand, the fifth-order polynomial provides greater smoothness in boundary conditions, with continuity of position, velocity, and acceleration, reducing the tendency toward mechanical shocks and becoming more appropriate when dynamic smoothness is a priority requirement. It is concluded that the GA + LSPB-based approach is suitable for teaching, prototyping, numerical validation, and initial trajectory analysis, whereas industrial applications require kinematic model calibration, repeatability tests, formal risk assessment, real actuator limits, emergency stop systems, safe control, and compliance with applicable standards for robots and robotic cells. As future work, experimental validation of the simulated results, comparison of different trajectory profiles, and incorporation of quantitative safety, accuracy, and dynamic performance metrics are recommended.

  • Marcio Mendonca
  • Vitor Blanc Milani
  • Cintya Wedderhoff Machado
  • Adriano da Silva Moreira
  • Andressa Haiduk
  • Luiz Francisco Sanches Buzzacchero
  • Emerson Ravazzi Pires da Silva
  • Eduardo Pegoraro Heinemann
  • Analia Maria Dias De Gois Picelli
  • Laiane Cristina Dias Correia
  • Armando Paulo da Silva
  • Marcio Takahashi Kawamura
  • Norwin Porfirio Carrasquel Poturo
  • Fabio Rodrigo Milanez
  • Marcos Antônio de Matos Laia
  • André Luís Shiguemoto
  • Daniela Mendonça de Oliveira
  • Francisco de Assis Scannavino Junior
  • Renato Kazuo Miyamoto
  • Marcos Dantas de Oliveira
  • Vicente de Lima Gongora
  • Paulo Alexandre Lourenço Jesus
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