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Fatec Garça

TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

DOUGLAS MANCIO ASSIS SOARES

BRAÇO ROBÓTICO DE BAIXO CUSTO PARA PEQUENA E MÉDIA

EMPRESA.

Garça-SP

2013

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Fatec Garça

TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

DOUGLAS MANCIO ASSIS SOARES

BRAÇO ROBÓTICO DE BAIXO CUSTO PARA PEQUENA E MÉDIA

EMPRESA

Artigo Científico apresentado à Faculdade de

Tecnologia de Garça-FATEC, como requisito

para a conclusão do curso de Tecnologia em

Mecatrônica Industrial.

Data da Aprovação: ____/____/____

____________________________________

Prof. LAERTE EDSON NUNES. FATEC GARÇA

____________________________________

Prof. PAULO SERGIO CASTRO.

FATEC GARÇA

____________________________________

Profa Ms. NANCY AP. GUANAES BONINI.

FATEC GARÇA

BRAÇO ROBÓTICO DE BAIXO CUSTO PARA PEQUENA E MÉDIA

EMPRESA

DOUGLAS MANCIO ASSIS SOARES¹

dma_soares@hotmail.com

Orientador LAERTE EDSON NUNES²

Laerte.edson.nunes@terra.com.br

Abstract – This paper presents a robotic arm construction of low cost, for small and medium

businesses can have access to this technology, to perform small tasks in your production. To

develop this project, with the idea of low cost, a survey was conducted in subjects who are

already produced on a scale of easy manipulation, electrical and electronic control. At the end

of the study were obtained materials ideals, as well as the microcontroller to control the

movements of the prototype, acrylic material for its structure and servomotor for their

movements.

Keywords: Robotic Arm. Low Cost, Microcontroller, Small and Medium Enterprises.

RESUMO - O artigo apresenta a construção de um braço robótico de baixo custo, para que

pequenas e médias empresas possa ter acesso a essa tecnologia, para executar tarefas de

pequeno porte na sua produção. Para desenvolver esse projeto, com a idéia de baixo custo, foi

realizada uma pesquisa nos materiais que já são produzidos em escala de fácil manipulação, controle elétrico e eletrônico. Ao final do estudo foram obtidos os materiais ideais, assim

como o microcontrolador para o controle dos movimentos do protótipo, material acrílico para

sua estrutura e o servomotor para seus movimentos.

Palavras Chave: Braço Robótico de Baixo Custo, Microcontrolador, Pequenas e Médias

Empresas.

______________________ ¹Aluno do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial da Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC

²Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça - FATEC

1 INTRODUÇÃO

A robótica é uma área que sempre esta em mudança, englobando as engenharias

mecânica, eletrônica e computação. Quando alguma destas ciências apresenta uma inovação o

conceito todo é alterado para que se possa acompanhar a tecnologia dando uma maior precisão e

resistência aos manipuladores robóticos assim ficando com custo mais elevado, ficando fora do

valor aquisitivo de uma pequena e media empresa. Rosário (2005).

Na sociedade atual, é crescente a necessidade de realizar tarefas com eficiência e

precisão. Existem também tarefas a ser levada a cabo em lugares em que a ação humana é

difícil, arriscada e até mesmo impossível, como no fundo do mar ou em meio à imensidão do

espaço. Para executá-las, faz-se necessária a presença de dispositivos mecatrônicos (robôs), que

as realizam sem risco de vida. A robótica é a área que se preocupa com o desenvolvimento de

tais dispositivos multidisciplinares e em constante evolução, buscando o desenvolvimento e a

integração de técnicas e algoritmos para a criação de robô. Rosário (2005).

Atualmente encontra se robôs em várias áreas da sociedade. Os que prestam serviço

(como o desarmamento de bombas), por exemplo, outros com a nobre finalidade de pesquisa

cientifica e educacional e até mesmo os operários, que se estalaram nas fabricas e foram os

responsáveis pela “segunda revolução industrial”. Com a produção em serie, o trabalho humano

foi substituído, pelo aço, agilizando os processos e fornecendo maior qualidade aos produtos.

Rosário (2005).

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e construção de um braço robótico, a partir de

pesquisas realizadas, com base nos manipuladores já existentes, a fim de apresentar um

protótipo com custo mais baixo em relação aos atuais existentes nas empresas. ROSÁRIO

(2005)

1.1 OBJETIVOS

Geral: Construir um Braço Robótico de baixo custo que possa realizar movimentos

capazes de executar funções diversas, com seu controle ou com um programa

previamente salvo.

Especifico: Desenvolvimento e construção de um protótipo de um braço robótico de baixo

custo.

1.2 JUSTIFICATIVA

Com avanço da tecnologia, as empresas tendem a melhorar seus processos, adquirindo

equipamentos novos que vão melhorar seus produtos e processos para que tenham qualidade e

rapidez na execução de suas funções. Procura-se com o projeto o conceito funcional para que

possa ter popularidade com um preço acessível para pequenas e médias empresas adquirir essa

tecnologia, para execução das funções dentro de suas instalações e acompanhamento do

crescimento industrial.

2 REVISÃO BIBIOGRÁFICA

Neste capitulo é realizado uma pesquisa geral sobre os manipuladores robóticos para

fundamentação do conteúdo teórico deste trabalho, levantando informações necessárias para uma

melhor compreensão da utilização dos robôs, com base em alguns trabalhos acadêmicos e artigos.

2.1 Robôs Industriais

Os robôs industriais têm sido muito utilizados nos processos de automação, são

essencialmente máquinas capazes de realizar os mais diversos movimentos programados,

adaptando-se às necessidades operacionais de determinadas tarefas e empregando garras e/ou

ferramentas oportunamente selecionadas. O termo robô foi originalmente utilizado em 1921 pelo

dramaturgo checo Karen Capek, na peça teatral “Os Robôs Universais de Russum (R.U.R.)” como

referência a um autômato que acaba rebelando-se contra o ser humano. Robô deriva da palavra

"robota" de origem eslava, que significa "trabalho forçado". O uso de robôs industriais no chão-de-

fábrica de uma empresa está diretamente associado aos objetivos da produção automatizada, a qual

visa (BOUTEILLE at al., 1997):

Melhorar as condições de trabalho do ser humano, por meio da eliminação de atividades

perigosas ou insalubres de seu contato direto.

Melhorar a qualidade do produto, através do controle mais racional dos parâmetros de

produção.

Realizar atividades impossíveis de serem controladas manualmente ou intelectualmente,

como por exemplo, a montagem de peças em miniatura, a coordenação de movimentos

complexos e atividades muito rápidas (deslocamento de materiais).

Dezenas de anos atrás, os robôs faziam parte apenas da ficção cientifica, fruto da

imaginação humana. No inicio dos anos 60, os primeiros robôs começaram a ser usados com o

objetivo de substituir o homem nas tarefas que ele não podia realizar, a qual envolvia situações

desagradáveis, tipicamente com altos níveis de calor, ruídos tóxicos, esforço extremo, trabalhos

tediosos e monótonos. Duas tendências, nos últimos 20 anos, garantiram a evolução dos robôs o

constante aumento dos níveis salariais dos empregados e o extraordinário avanço tecnológico no

ramo de computadores, que induz à redução dos preços do robô e a uma significativa melhoria

em seu desempenho NILSONERY (2009).

2.2 Definição

Conforme Tronco (2004), um robô industrial é uma máquina manipuladora, com vários graus

de liberdade, controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter a base

fixa ou móvel, para utilização em aplicações de automação industrial. Na figura 01, exemplo de

um manipulador robótico.

Figura 01- Manipulador robótico Puma

Fonte: Tronco (2004)

2.3 Anatomia

Para TRONCO (2004), a anatomia dos manipuladores é composta por uma base, onde é

fixada no chão ou em um suporte. Elos que formam uma cadeia cinemática e as juntas que

movimentam os elos. Também possui uma garra classificada como efetuador final, atuadores e

sensores. A maioria dos manipuladores possui seis graus de liberdade, normalmente configurados

em três graus para movimentas a garra e os outros três para orientá-la, conforme a Figura 02.

Figura 02 - Anatomia do manipulador robótico

Fonte: Tronco (2004)

2.4. Classificação dos robôs

Os robôs quanto à estrutura mecânica, é resultante num movimento composto de três

translações, cujos eixos de movimento são coincidentes com um sistema de coordenadas de

referência cartesiano. O volume de trabalho gerado é retangular (IFR, 2000, Schiaviicco,

Siciliano, 1995).

Figura 03 – Na Figura 03 estrutural mecânica retangular de um robô

Fonte: Romano e Dutra 2002

Robô Articulado ou Antropomórfico: Ainda na classificação estrutural mecânica existe

o robô articulado Nesta configuração, existem ao menos três juntas de rotação. O eixo de

movimento da junta de rotação da base é ortogonal às outras duas juntas de rotação que

são simétricas entre si. Este tipo de configuração é o que permite maior mobilidade a

robôs. Seu volume de trabalho apresenta uma geometria mais complexa em relação às

outras configurações ROMANO e DUTRA (2002).

Figura 04 - Exemplo de robô articulado e plano cartesiano

Fonte: Romano e Dutra (2002)

Geração tecnológica: Conforme (RIVIN 1988), (ROSEN, 1985), essa classe refere-se às

gerações tecnológicas dos robôs industriais. A primeira geração é a dos robôs

denominados de sequencia fixa, os quais uma vez programados podem repetir uma

sequencia de operações e para realizar uma operação diferente devem ser e programados.

A maioria dos robôs industriais em uso pertence a esta geração. Os robôs de segunda

geração possuem recursos computacionais e sensores que permitem ao robô agir em um

ambiente parcialmente estruturado, calculando em tempo real os parâmetros de controle

para a realização dos movimentos. A terceira geração de robôs apresenta inteligência

suficiente para se conectar com outros robôs e máquinas, armazenar programas e se

comunicar com outros sistemas computacionais. É capaz, por exemplo, de tomar decisões

em operações de montagem, como montar uma adequada combinação de peças, rejeitar

peças defeituosas e selecionar uma combinação correta de tolerâncias. O emprego deste

tipo de robô em processos industriais ainda é irrisório.

Participação do operador: Refere se ao grau de envolvimento do operador humano no

processo de controle de um sistema robótico é determinado pela complexidade que o meio

de interação apresenta e pelos recursos disponíveis para o processamento dos dados

necessários à execução das tarefas. A maioria das atividades automatizadas relacionadas

às indústrias, como soldagem por pontos ou contínua, fixação de circuitos integrados em

placas, pintura de superfícies, movimentação de objetos e montagem de peças, operam em

ambientes estruturados. Já em ambientes não estruturados, devido à dificuldade de serem

quantificados determinados parâmetros de processo ou ao elevado custo para obtê-los

dentro de certas especificações, a utilização do poder decisório do operador no

gerenciamento do sistema de controle torna-se fundamental para a realização das tarefas

determinadas ROMANO e DUTRA (2002).

2.5 Aplicações dos robôs

A maioria das atividades relacionadas a robôs industriais em processos de produção

envolvem operações de movimentação, processamento e controle de qualidade. Conforme

Romano e Dutra (2002) a população mundial instalada de robôs de seis eixos é estimada em

790.000 unidades (1999), sendo no Brasil em torno de 4500 unidades. Portanto, o Brasil contribui

com aproximadamente 0,6% do número total de robôs industriais instalados no mundo. No

gráfico 01 a evolução no numero de robôs no Brasil.

Gráfico 01 - Histórico de evolução dos robôs de seis eixos no Brasil

Fonte: Romano (2000)

Conforme Romano e Dutra (2002), a empresa ABB Robotcs é a líder no mercado brasileiro com

33% das vendas, como mostrado na tabela 01.

Tabela 01 - Percentual de vendas de robô no Brasil pela empresa ABB Robotcs.

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Nesse capitulo é apresentado à metodologia utilizada no projeto, à definição dos conceitos

e soluções de viabilidade para a estrutura do protótipo.

3.1 Metodologia

A metodologia utilizada para este projeto foi uma pesquisa exploratória, por meio da

analise de alguns trabalhos já existentes disponíveis na literatura. Foram analisados alguns

projetos de manipuladores robóticos já desenvolvidos em outros projetos, tendo como principal

objetivo uma referencia e base para este projeto. A pesquisa sobre o conteúdo teórico do trabalho

foi obtida a partir de uma analise no artigo de Romano e Dutra (2002). O protótipo é construído

com base no projeto de um manipulador robótico de baixo custo visando o acesso para pequenos

empresários sem investir um alto capital.

3.2. Projeto de um braço robótico

O projeto de um robô, propriamente dito é interdisciplinar, envolvendo conhecimento nas

áreas de engenharia mecânica, engenharia eletroeletrônica, controle e ciências da computação.

Por meio de uma analise em alguns manipuladores existentes, foram considerados os seguintes

aspectos abaixo, para confecção de um braço robótico de baixo custo:

Dimensionamento de atuadores, mecanismos, circuitos eletrônicos (hardware), unidades

de controle e potência;

Fabricação e montagem de peças;

Software e simulação

Técnicas de programação para o sistema de controle,

Testes de desempenho.

3.2.1. Comparação de custo envolvido em um braço robótico

Na tabela 02, comparação de custo.

MODELO GRAUS DE LIBERDADE PESO PREÇO

KATANA 4 2 K MAX $ 28.200,00

TX40 6 1 K MAX $ 35.400,00

TX20 4 500g $ 22.500,00

FESTO RV-2SVB 6 - R$ 240.000,00

FESTO RV-2AJ 6 - R$ 195.000,00

Fonte: Fornecedores (2012 e 2013).

3.3. Solução conceitual para o protótipo

Visando sempre o baixo custo do projeto, foram propostos inicialmente os itens abaixo

para definir a estrutura do projeto.

3.3.1 Estrutura

A estrutura do manipulador refere se ao esqueleto do robô, que pode ser de metal ou

plástico. Uma solução proposta para este projeto foi o material acrílico, que alem de apresentar

excelentes propriedades, é um material de baixo custo.

3.3.2 Sistema elétrico e eletrônico

Este item refere se ao sistema de controle do robô, envolve a placa mãe que pode ser um

microcontrolador ou um controlador lógico programável (CLP), placas eletrônicas drivers,

motores de passo ou servomotores, para controlar o avanço dos eixos do robô. O sistema ainda

conta com vários tipos de sensores para fazer leitura óptica, ultrassônica, movimentos,

identificação de materiais e peças. Também são utilizados atuadores que podem ser pneumáticos,

elétricos ou combinação das duas opções.

Microcontrolador: Os microcontroladores são dispositivos de tamanho reduzido, capazes

de realizar controle de máquinas e equipamentos eletroeletrônicos através de programas.

São dispositivos que reúnem, em um único circuito integrado, diversos componentes de

um sistema computacional simplificado. Em outras palavras, podemos afirmar que um

microcontrolador é um pequeno microcomputador integrado em um único chip. Por se

tratar de um componente programável, é bem versátil, podendo ser empregado em

aplicações das mais diversas.

Como todo circuito integrado, a maior parte de seu custo não está vinculada ao material

físico com que é produzido, mas sim no projeto, desenvolvimento e produção dos

circuitos internos que garantem a funcionalidade a ele atribuída. Atualmente, empresas

como a Intel, Microchip, Atmel, Motorola, Philips, e outros importantes fabricantes

investem milhões de dólares em pesquisas e desenvolvimento de microcontroladores cada

vez mais eficientes, mais velozes e com maior capacidade, mais recursos de conectividade

e controle e menor consumo de energia elétrica.

No entanto, mesmo com pomposos investimentos financeiros em seu desenvolvimento, o

microcontrolador é conhecido por ser um componente que oferece um excelente custo

benefício, sendo, na maioria dos casos, muito mais barato que as demais alternativas

existentes. O motivo é que por se tratar de um componente bastante versátil, permitindo

uma grande diversidade de aplicações, a quantidade de microcontroladores desenvolvidos

para um modelo projetado é bastante grande, havendo a diluição de grande parte do

investimento de desenvolvimento, que por sua vez torna o componente bastante atrativo

em termos de custo.

Servomotor: Servomotor é um atuador composto por um motor DC, uma redução e uma placa

de controle de malha fechada, controlada por um sinal de PWM (Pulse Width Modulation),

variando esse sinal de 1ms a 2ms o eixo do servomotor vai se movimentar 0º a 180º. (Como

funciona um servo motor)

Figura 05: Exemplo de um servomotor

Fonte: (Como funciona um servo motor)

3.3.3 Software e programação

O sistema de interação entre computador, robô e operador é realizado por meio do

software de interface do robô, que utilizado para o controle automático de suas funções, gerar

comandos e configurações dos parâmetros e realizar a programação da tarefa que o robô vai

executar. Geralmente cada fabricante de robô possui um software especifico para seu

manipulador, porem existem alguns softwares disponíveis na internet de código aberto com

função universal, com a capacidade de se adaptar a qualquer tipo de robô. A programação é

realizada por meio de comandos no ambiente do software. Pode ser realizada por um controle

remoto de interface entre operador e robô, ou programação Off Line executada no computador.

3.3.4 Programação manual

Os robôs geralmente utilizam um dispositivo de interface entre operador e maquina, para

realizar os movimentos do manipulador de maneira manual. O dispositivo contem uma caixa de

comandos manuais que movimenta os eixos do robô e também tem a possibilidade de fazer a

programação manual. Alguns projetos de braço robótico didático utilizam um sistema de controle

remoto Joystick para executar as funções do robô.

4 FABRICAÇÃO DO PROTÓTIPO E TESTES

Neste capitulo é feito o detalhamento do projeto, com uma lista de materiais utilizada,

custo dos materiais, construção do protótipo e testes e resultados.

4.1. Solução definida

Para a construção do protótipo optou se por uma solução que apresentou menor custo de

acordo com o objetivo deste trabalho sobre um projeto de baixo custo. Foi elaborado um braço

robótico com estrutura de material acrílico, para o controle do avanço e movimentos dos eixos,

optou se pelo servomotor, para o controle eletrônico é utilizado o micro controlador

FREESCALE MC9SO8MP16. O software escolhido foi o CODEWARRIOR, para interface do

robô. A garra efetuadora foi adquirida já pronta, devido à economia de tempo que seria gasto em

projetar uma garra. Para movimentar o braço manualmente utiliza se um controle Joystick Bright

que será descrito nos próximos tópicos.

Figura 06: Estrutura utilizada no protótipo

Fonte: O autor (2013).

4.1.1. Servomotor utilizado

Considerando que o Braço tenha 1 cm, e um peso de 1 Kg, e o Servomotor consegue se

movimentar sem se danificar podemos dizer que este tem um torque de 1kgf cm.

Figura 07: Esquema para calculo e escolha do servomotor

Fonte: O autor (2013).

Para o calculo do servo utilizado no protótipo foi levado em consideração a distância de

470 mm. Abaixo esta o servomotor utilizado:

Figura 08: Servomotor utilizado no protótipo

Fonte: O autor (2013).

Servomotor: TowerPro MG995

Servomotor: HEXTRONIC HX T900

4.1.2. Microcontrolador utilizado

Foi utilizado o micro controlador FREESCALE MC9SO8MP16, na figura 09 é mostrado

o esquema de terminais de saídas.

Figura 09: saídas do Microcontrolador MC9SO8MP16

Fonte: (Freescale)

4.1.3 Placa eletrônica

Depois de adquirido os componentes foram confeccionados a placa eletrônica responsável

por comandar o circuito do protótipo bem como executar todos os comandos elétricos, baseado

no esquema abaixo:

Figura 10: Layout da placa eletrônica impresso

Fonte: O autor (2013).

Depois de desenhado o circuito impresso, foi realizado a solda dos componentes que

compõe a placa conforme mostra a figura 11:

Figura 11: Placa eletrônica concluída

Fonte: O autor (2013).

4.1.4 Garra robótica

Conforme foi explicada a garra é o elemento efetuador do robô que foi dimensionada para

o protótipo de braço robótico apresentado nesse trabalho de acordo com suas dimensões.

Figura 12: Desenho técnico da garra utilizada

Fonte: (Multilogica-Shop)

A garra foi adquirida já pronta para uso, em uma loja de comercio eletrônico. Esse modelo

é simples e de baixo custo, sendo a melhor concepção a ser utilizada no protótipo já que o intuito

é o baixo custo.

Figura 13: Garra utilizada no protótipo

Fonte: (Multilogica-Shop)

4.1.5 Controle Joystick

Para o controle e movimento manual do braço robótico foi utilizado controle joystick

Bright, que foi o dispositivo ideal para ser aplicado nesse projeto, devido à facilidade de

operação. Foi feito e interação entre o dispositivo e robô por meio da ligação programação.

Figura 14: Controle joystick utilizado

Fonte: O autor (2013).

Descrição dos botões:

1- Movimento antebraço para cima.

2 – Abrir garra.

3 - Movimento antebraço para baixo.

4 – Fecha garra.

5 – Movimento do braço para cima.

6 - Movimento do punho para cima.

7 - Movimento do braço para baixo.

8 - Movimento do punho para baixo.

9 – Movimento da base para esquerda

10– Movimento base para direita

4.1.6 Software utilizado

Optou se por utilizar o software de desenvolvimento CODEWARRIOR, que apresenta

uma simples interação com usuário, em um ambiente de fácil programação. Na figura 15 é

mostrado o ambiente do software.

Figura 15: Ambiente Codewarrior.

Fonte: O autor (2013).

Na figura 16 é mostrado um exemplo de programação com os principais comandos, da

linguagem de programação utilizada para uma operação do braço robótico:

Figura 16: Programação de uma operação

Fonte: O autor (2013).

4.2 Custos do protótipo

A tabela a seguir mostra os custos dos materiais utilizados para construção do braço

robótico. O valor total foi de R$ 501,50 se comparado ao custo dos manipuladores industriais,

esse valor esta bem abaixo.

Tabela 03 - Custos do protótipo.

Fonte: O autor (2013).

4.3. Protótipo de um braço robótico de baixo custo

Na figura 17 esta o protótipo concluído de um braço robótico de baixo custo. A montagem

foi concluída com alguns ajustes necessários e o próximo passo foi realizar os testes de operação

funcional.

Figura 17: Protótipo do braço robótico concluído

Fonte: O autor (2013).

4.3.1 Graus de liberdade

O braço robótico apresenta cinco principais graus de liberdade, composto por uma base

giratória, um braço e um antebraço, punho e a garra, conforme a figura 18.

Figura 18: Graus de liberdade do braço robótico

Fonte: O autor (2013).

4.4 Testes resultados

O teste inicial foi como o esperado, tendo os movimentos nas suas articulações, foi feito

os ajustes para o alinhamento nas articulações que usam dois servomotores para a divisão igual

de peso e melhor desempenho dos servomotores, o desempenho como velocidade e precisão

atendeu as expectativas.

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O braço robótico desenvolvido durante a pesquisa contribui para o trabalho das pequenas

e médias empresas devido ao seu baixo custo. Os resultados esperados foram obtidos com o

desempenho do robô e também o custo de obtenção. Esse projeto fica aberto para uma constante

melhoria futura para garantir um melhor desempenho no seu funcionamento e a possibilidade de

novas aplicações.

6 REFERENCIAS

Como funciona um servo motor. Disponível em: <http://www.pictronics.com.br/artigos-

tecnicos/43-eletronica-e-automacao/89-como-funciona-um-servo-motor.html>.

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Acesso em 19 de Dezembro de 2012

DATASHET MC9SO8MP16. Disponível em:

<http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/.../ MC9S08MP16 RM.pdf>.

Acesso em 08 de janeiro de 2013

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Acesso em 20 de Janeiro de 2013.

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<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAWFcAH/acrilico>.

Acesso em 07 de Mar. 2013

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VITOR FERREIRA ROMANO, MAX SUELL DUTRA. INTRODUÇÃO À

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ROMANO, V.F., Brazilian Investments and Applications in Robotics. In: Preprints of the

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SCHIAVICCO, L., SICILIANO, B., Robotica Industriale - Modellistica e Controllo di

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