UNMSM Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica y Eléctrica.
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)
Ingenieria de control II
CURSO
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DOCENTE
:
TEMA
Ingeniería de control II
Ing. Cabezas Soldevilla :
Diseño, construcción y programación de un brazo robótico ALUMNO : Joel Harold Saldaña Montoya
LIMA – PERÚ 2010
Joel Harold Saldaña Montoya
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UNMSM Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica y Eléctrica.
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DISEÑO, CONSTRUCCION Y PROGRAMACION DE UN BRAZO ROBOTICO Saldaña Montoya Joel Harold e-mail:
[email protected] [email protected] RESUMEN:
este proyecto fue realizado básicamente con con los los obje objeti tivo voss de expe experi rime ment ntar ar la progr program amac ació ión n e impl implem emen enta taci ción ón de un braz brazo o robo robott, lo que que impl implic ica a conoci conocimie miento ntoss de mecáni mecánica, ca, elect electrón rónica ica avanza avanzada, da, los actuadores son motores DC estratégicamente ubicados, estos fuero fueron n utiliz utilizado adoss por su bajo bajo costos costos y fácil fácil manejo manejo,, la desventaja es la dificultad de poder ubicar el brazo en una posición determinada. Este problema fue resuelto utilizando potenciómetros en cada grado de libertad y obteniendo lecturas de voltaje y estos a su vez vez ingr ingres esad ados os al sist sistem ema a de cont contro roll digi digita tall sien siendo do digitalizados previamente. El programa de control utiliza utiliza las lecturas lecturas de los ADC y las entradas de referencia, de estas dos entradas calculamos el error el cual es reducido por un controlador PI (proporcional -integral). Todo Todo el sist sistem ema a será será impl implem emen enta tado do util utiliz izan ando do un microcontr microcontrolador olador Atmega8, Atmega8, fue elegido por su capacidad capacidad de memo memori ria a y por por que cuent cuenta a con con 6 ADC, ADC, se prog progra ramo mo en lenguaje Basic, utilizando la plataforma Bascom-AVR. La totalidad de este proyecto fue realizado, desde la mecánica básica básica,, la elect electróni rónica ca y la program programaci ación, ón, el diseño diseño fue inspirado por el brazo humano, lo que si en este proyecto no se pudo reali realizar zar una mano, mano, pero pero eso será parte de otro otro proyecto, el actuado principal del brazo es una pinza robot, la que también tuvo que ser desarrollada desde cero.
PALA PALABR BRAS AS CLAV CLAVE E: tornillo sin fin, ADC, potencióm potenciómetro, etro, pinza, pinza, infrarrojo, infrarrojo, microcontr microcontrolador olador,, grado de libertad, rampa. 1
INTRODUCCIÓN
Básicamente pasaremos a explicar cómo se ideo y se construyó el robot y las dificultades que se tuvo además de explicar su programación y fun cionamiento.
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DISEÑO
2.1
CARACTERÍSTICAS GENERALES
Joel Harold Saldaña Montoya
Este robot fue diseñado diseñado para cumplir cumplir las funciones funciones que cumpliría un brazo humano, este diseño se basa principalmente en el auto sostenimiento por la misma estructura, lo que quiere decir , que la mecánica utilizada debería economizar el uso de los motores.
Está dividido en 4 secciones principales: Base, esta debe ser giratoria, estable y lo suficientemente fuerte para sotener y girar todo el brazo, para ello utilizamos un motor motor DC mediano mediano y un conjun conjunto to de engranaje engranajess que cambian cambian velocidad velocidad por fuerza, fuerza, además además convenient convenientemen emente te reducen la velocidad de giro.
Como se observa , el motor que controla el mecanismo de engranajes de la base se encuentra fijado sobre una base de madera, los ejes están sobre una carcasa de aluminio, además como podemos observar se coloco un potenciómetro con un engranaje en el mecanismo de giro, cuando la base gire , el potenciómetro también lo hará dándonos valores distintos de voltajes por cada grado de giro, (valores de voltaje ya que el potencióm potenciómetro etro es polarizado polarizado con 5 voltios voltios en sus extremos extremos y los valores los ob tenemos del terminal central).
Sección 1: Está constituida por dos motores dc que funcionan en conjunto ambos exactamente iguales en extremos diferentes y con juegos de engranajes que proporcionan mas torque, esto es necesario ya que esta sección tiene que soportar todo el peso del brazo mas la posible carga en movimientos de arriba hacia abajo.
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. plástico y aluminio y con un motor mediano DC que sobresale de la estructura.
Como podemos observar estos motores están ubicados en cada lado y conforman un solo eje, la potencia de ambos es la que puede levantar todo el brazo. Esta sección esta montada sobre una base de aluminio y esta gira gracias al mecanismo de la base, el armazón y estructura del brazo en si se hará de madera por ser resistente y tener un pes peso o meno menorr al del del alum alumin inio io,, adem además ás de ser ser much mucho o mas mas manejable al momento de la construcción.
Sección 2: esta sección esta montada sobre la primera sección y es accionada accionada por un pistón eléctrico eléctrico montado sobre la base giratoria, esto se hizo para mantener lo mas bajo posible el centro de gravedad del brazo, este pistón esta constituido de un motor DC con un mecanismo de engranajes y una sección dentada que es el actuador del todo el sistema de piston, este tuvo que ser construido también debido a la complejidad de su funcionamiento, como base del pistón se utilizo una bisagra de metal, ya que el pistón también debía poder moverse junto con la primera sección como uno solo.
Para Para entend entender er un poco poco mejor mejor el esquem esquemaa como como podemo podemoss observar, en la sección 1 está montado el pistón, que a su vez levanta y recoge la sección 2 del brazo, el pistón puede bajar y subir gracias a la bisagra ubicada en su base. Uniend Uniendo o la secció sección n 1 y 2 encont encontram ramos os una bisagra bisagra tipo tipo trapec trapecio, io, cada cada secció sección n está está confor conformad madaa por 4 liston listones es de madera madera de 15 mm de espesor, en ambos casos reforzadas reforzadas por láminas de aluminio. La sección 2 es la encargada de sostener el que será el actuador principal del brazo, una pinza eléctrica.
La Pinza: La pinza es el actuador de todo el brazo, es la pieza clave, sin esta el buen funcionamiento de las otras partes no habría valido la pena. Para su construcción se utilizo un motor DC y dos engranajes que a su vez movían movían dos listones listones de acríli acrílico, co, se utili utilizó zó materiales de poco peso debido a que esta pieza debe pesar lo menos posible.
En
Como observar
podemos este pistón
montado
esta en
la
parte del esta
trasera brazo, hecho de
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esta imagen podemos ver el motor principal, los engranajes, los listones de acrílico y dos listones adicionales de apoyo. Estos listones a su vez terminaban en una pieza de madera en forma de L, al girar el motor en un sentido u otro la pinza se abría o cerraba.
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. El tiempo tiempo que tomo hacer este proyecto proyecto fue de 2 meses meses aproxi aproximad madame amente nte,, pero pero aun no se conclu concluye, ye, ya que se le continúan haciendo mejoras. Para el manejo de los motores se utilizaran puentes H L293d Y las fuentes de alimentación principal serán 2 una de 5 voltios para la parte lógica y otra de 12 voltios para la parte de potencia.
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Podemos observar en esta imagen la sección posterior de la pinza, allí está la pieza de metal donde los listones de acrílico se sostienen. Se implementara un sensor en la pinza para que pueda detectar un objeto, dependiendo del tipo de objeto se instalara el sensor, aunque se tiene planeado un sensor infrarrojo, por su bajo costo y versatilidad. Y aquí acaba la mecánica principal.
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IDEAS PRINCIPALES
Básicamente la de sostener objetos y moverlos de un lugar a otro, limitado claro al campo de acción del brazo. La base está limitada solo a girar 200 grados, la sección 1 va de 0 a 90 grados, con referencia a la horizontal, y la sección 2 de 30 a 90 grados. El brazo brazo esta esta diseña diseñado do solo solo para para levant levantar ar objeto objetoss de máximo 200 gramos, esto debido a que solo fue construido por motivos de estudio, y sobretodo para practicar la programación y darle inteligencia, una vez obtenido el programa para su control y perfeccionado el diseño, se podría pensar ensamblar brazo brazoss con más potencia, potencia, mas prest prestaci acione oness y con fines fines educativos y comerciales. La program programaci ación ón se hará hará de acuer acuerdo do a lo explic explicado ado anteri anteriorm orment ente, e, obteni obteniend endo o valore valoress de refere referenci nciaa y de los sensores sensores ubicados en el pistón, base y sección sección 1, además además del sensor infrarrojo ubicado en la pinza. Mas detalles de la programación se darán en la sección respectiva.
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Consta de dos microcontrol roladores para su funcionamiento el primero es un PIC 16F628A el cual esta encargado de la parte de control de los motores, en total son 4 motores a controlar, los motores de la sección 1 se consideran como como uno, uno, el otro otro micr microc ocont ontro rola lador dor es un ATME ATMEGA GA8 8 encargado de leer los datos que nos dan los potenciómetros, leer las referencias y correr el controlador PI encargado de minimizar el error del sistema. Se hace uso de dos integrados puentes H L293D con disipador disipador para el control de los 4 motores, motores, estos a su vez son controlados por el PIC 16F628A, la comunicación entre el PIC y el Atmega se hace por 4 pines por donde intercambian información, se utilizo esta modalidad por que nos permitía simplifica simplificarr la programación, programación, al Atmega Atmega se le habilitaro habilitaron n 6 pines para la lectura de los datos analógicos en sus entradas ADC. Actual Actualmen mente te se viene viene trabaj trabajand ando o para para simpli simplific ficar, ar, mejorar y repotenciar la placa de control de modo que se estará modificando frecuentemente.
INTEGRANTES
Proyecto realizado por Joel Harold Saldaña Montoya con el apoyo de familiares, compañeros de la facultad y del instituto de investigación FIEE.
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PLACA DE CIRCUITO
CONSTRUCCION
Se utilizó madera como materia principal debido a que el pre presu supue puest sto o era era limi limita tado do y adem además ás porq porque ue era era lo más más conveniente debido al problema del peso y las modificaciones de último momento, la madera nos ofrecía muchas ventajas. También como ya se explico se utilizo el aluminio, por su facili facilidad dad de manejo manejo,, bajo bajo costo costo y poco poco peso, peso, además además de algunas piezas de plástico. También de utilizo masilla epoxica, pegamentos de contacto y tornillos autorroscantes.
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Este es parte del esquema de la placa con el Atmega y los puentes H, es el esquema utilizado para las simulaciones que se hace hacen n cuan cuando do quer querem emos os prob probar ar modi modifi fica caci cione oness del del programa sin utilizar el brazo. Esto se hace debido a la facilidad que nos proporciona el emulador, en este caso utilizamos el Proteus. La placa fue construida de manera bastante reducida, lo que nos permite poderla ampliar, no se realizo layout ni tampoco se utilizo un programa que nos genere las pistas del circuito, esto debido a que nuestra placa sufrirá múltiples cambios en el proceso, cuando todo el proyecto este terminado, nuestra placa de entrenamiento nos servirá como base para hacer placas con layout’s en serie, tal vez con propósitos comerciales.
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PROGRAMACION
En este este aparta apartado do explic explicare aremos mos los aspect aspectos os básico básicoss de la programac programación ión del brazo donde utilizamos utilizamos dos lenguajes lenguajes de programación, el C y el Basic. Utilizamos C para programar el PIC 16F628A, empleando la plataforma plataforma PIC CCS, básicamente básicamente el PIC funcionara como decodificador ya que todo el procesamiento lo hará el Atmega, cada código de 4 bits enviado por el Atmega será decodificado por el PIC y este efectuara una acción de control sobre los motores. El PIC puede ejecutar hasta 16 ordenes distintas que le envié el Atmega. El Atmega8 es la pieza clave en el funcionamiento del brazo, es el cere cerebr bro o prin princi cipa pall capa capazz de leer leer dato datoss anál análogo ogoss proporcionados por los potenciómetros del brazo, estos datos son digitalizados en el Atmega y luego procesados por un programa principal donde utilizamos también interrupciones definidas cada cierto tiempo. El programa principal se ejecutar ejecutaraa todo el tiempo tiempo leyendo leyendo valores que nos proporcionan los sensores y también desde bits de entrada definidos, estos dos darán los valores de referencia a alcanzar. La diferencia diferencia entre los valores valores de referencia referencia y los valores leídos por los ADC’S nos proporcionan variables de error, los cual cuales es será serán n mini minimi miza zados dos por por el cont control rolad ador or PI que que se implementara también en el Atmega. El código de este controlador controlador PI se escribirá escribirá dentro dentro de una interrupci interrupción ón que se ejecutara ejecutara cada 8 milisegund milisegundos, os, ósea la frec frecue uenc ncia ia con con la que que se toma toman n las las mues muestr tras as en los los potenciómetros del brazo será de aproximadamente 120 Hz, es una frecuencia más que suficiente debido a que el proceso es de naturaleza lenta. El contro controla lador dor PI se implem implement entara ara utili utilizan zando do el método método rectangular el cual consiste es sumar el error multiplicado por la varia variable ble Ki a un acumu acumulad lado, o, este este product producto o puede puede ser positivo o negativo dependiendo directamente del signo del error. Los valores de los parámetros del Kp y Ki fueron hallados expe experi rime ment ntal alme ment ntee debi debido do a que que nues nuestr tros os cálc cálcul ulos os no concordaban y producían muchos errores. La imprecisión de nuestros cálculos puede deberse a que se tuvo que asumir varios datos, sobre todo de motores y resortes utilizados en el sistema, además que este es un controlador que debe debe contro controlar lar tres tres variab variables les de error, error, prácti prácticam cament entee tres tres controladores distintos para un mismo sistema. El subprograma encargado de controlar la pinza ira en el bucle principal y este dependerá directamente de un sensor infrarrojo ubicado en la misma pinza y el cual detectara la proximidad de un objeto.
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FUNCIONAMIENTO
Como ubicarse en el espacio será una tarea difícil debido a que esos cálculos no le competen al Atmega, este solo recibe coorde coordenad nadas as y las las cumple cumple,, los datos datos de refer referenc encia ia serán serán ingres ingresado adoss manual manualmen mente te,, estos estos provend provendrán rán de cálcul cálculos os matemá matemátic ticos os hechos hechos a mano mano o por la experi experimen mentac tación ión de valore valoress refere referente ntess para para cada cada punto punto del espaci espacio o dentro dentro del campo de acción del brazo. Por ejemplo podemos ingresar valores de referencia que correspondan a una altura determinada y en una orientación ubicada a ciertos grados respecto al centro del brazo. Las aplicaciones aplicaciones posibles de este brazo son variadas variadas dependiendo de los limites de este, por ejemplo tal como esta este este braz brazo o pued puedee ser ser capa capazz de tran transp spor orta tarr obje objeto toss que que provengan provengan de una faja transporta transportadora dora a una frecuencia frecuencia fija desde la faja hasta otro punto a máximo 200 grados y a una altura máxima respecto de la faja de 40 cm. Este proyecto puede también habilitarse en el futuro para una posible prótesis ortopédica.
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FOTOGRAFÍAS
A continuación mostramos fotos del robot terminado en su parte mecánica.
Los Los valo valore ress de refe refere renc ncia ia irán irán de tres tres en tres tres como como coord coorden enad adas as,, el Atme Atmega ga leer leeráá esto estoss dato datoss y trat tratar araa de alcanzarlos con el mínimo de error y en el menor tiempo posible, una vez que alcance un error cercano a cero o muy peq peque ueño ño,, el braz brazo o dete detend ndrá rá su movi movimi mien ento to en sus sus tres tres secciones.
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. mueven mueven junto junto con el brazo, brazo, estos están polari polariza zados dos con 5 voltio voltios, s, su termi terminal nal central central es el que nos da los valores valores variab variables les que luego luego son introdu introducid cidos os en los ADC’s ADC’s del Atmega.
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CONCLUSIONES
Este proyecto fue concebido con la idea de poder aprender y experi experimen mentar tar la program programaci ación ón de micro microcon contro trolad ladore oress en aplicaciones poco convencionales, ya estábamos cansados de hacer juegos de luces o sistema ficticios, queríamos algo real que nos permitiera poder darle un uso aprovechable. Lograr esto es muy gratificante debido a la complejidad del pro proye yect cto o y nos nos perm permit itee pode poderr dar dar a cono conoce cerr nues nuestr tros os conocimientos de manera más directa e impactante, nos da la oportunidad de poder exponer y dar a conocer un proyecto el cual todo el mundo al menos los mecatronicos y electrónicos desearían hacer. En la actualidad sistemas de este tipo los venden, la mayoría de esto estoss sist sistem emas as usan usan serv servom omot otore ores, s, esto estoss serv servos os son son carísimos , lo que desalienta a seguir , como hemos visto en este proyecto utilizamos motores motores DC en todas las las secciones obteniendo resultados favorables.
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Fotografías del brazo terminado en su parte mecánica y antes del la colocación de los potenciómetros en cada grado de libertad.
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SENSORES Los sensores a utilizar son los siguientes:
REFERENCIAS
[1] G. Obregón-Pulido, Obregón-Pulido, B. Castillo-Toledo Castillo-Toledo and A. Loukianov, Loukianov, “A globally convergent estimator for n frequencies”, IEEE Trans. On Aut. Control. Vol. 47. No 5. pp 857-863. May 2002. [2] [2] H. Kha Khali lil, l, ”Nonlinear Systems”, Systems”, 2nd. ed., Prentice Hall, NJ, pp. 50-56, 1996. [3] Francis. Francis. B. A. A. and W. W. M. Wonham, Wonham, “The internal model principle of control theory”, theory”, Automatica. Vol. 12. pp. 457-465. 1976. arrays”, IEEE Trans. Antennas [4] E. H. Miller, “A note on reflector arrays”, Propagat., Aceptado para su publicación. [5] Control Toolbox (6.0), User´s Guide, The Math Works, 2001, pp. 2-10-2-35. [6] J. Jones. Jones. (2007, (2007, Febrero 6). Networks Networks (2nd ed.) [En línea]. línea]. Disponible en: http://www.atm.com http://www.atm.com..
Notas: 1.
En este este proy proyec ecto to se apli aplica caro ron n todo todoss los los conocimientos adquiridos en otros trabajos como seguidores de línea y robots laberinto..
2.
Como Como en todo todo proye proyect cto o larg largo, o, se tuvo tuvo que que interrumpir por momentos debido por motivos de trabajo o estudio, pero actualmente se encuentra muy avanzado como han podido ver, si quieren ver una demostración del fu ncionamiento de este brazo brazo pueden pueden visita visitarr mi canal canal en youtub youtube, e, lo único que deben de hacer es escribir mi nombre comp comple leto to Joel Joel Harol Harold d Sald Saldañ añaa Mont Montoy oya, a, y tend tendrá rán n acce acceso so a todos todos los los vide videos os de este este proyecto.
Sensores infrarrojos. Potenciómetros
9.1.1
SENSORES INFRARROJOS (cny70)
Ubicado en la pinza nos permite saber si un objeto esta cerc cerca, a, esto esto es para para que que la pinz pinzaa se pued puedaa abri abrirr o cerr cerrar ar automáticamente automáticamente de acuerdo al programa escrito. 9.1.2 Potenciómetros
Ubicad Ubicados os en cada cada grado grado de libert libertad ad del brazo brazo , nos propo proporci rciona onan n valore valoress de voltaj voltajee variab variable le debido debido a que se
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. 3.
En espe espera ra de suge sugere renc ncia iass que nos nos sirva sirvan n para para mejor ejorar ar el proy proyeecto, cto, cual cualqu quie ierr crí crítica ica constructiva es bienvenida.
4.
Escribe y pregunta a
[email protected] [email protected],,
[email protected] o mand mandaas tu pregu pregunta nta como como coment comentari ario o en los videos videos del brazo en youtube.
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