González Matuz IEE/ITTG Instrumentación P.I. Control de posición con un microcontrolador
1 introducción introducción 1.1 Antecedentes El que un objeto se posicione y se mantenga a pesar de perturbaciones exteriores como interiores ha sido siempre un reto para la ciencia, si bien ya se ha logrado, los ingenieros no quedan conforme con los resultado obtenidos y exigen más como en el caso de el posicionamiento de un brazo robótico. Con la ayuda de los avances de microcontroladores se ha logrado tener una estabilidad casi perfecta ante situaciones aleatorias, pero siempre existirán perturbaciones fuera de lo planeado, y son estas las que determinan que sistema es más estable. Uno de los ejemplos más notables acerca de estabilización y control son los brazos mecanico-robotico que se encuentran en la industria. Un robot industrial es un manipulador de uso general controlado por ordenador que consiste en algunos elementos rígidos conectados en serie mediante articulaciones prismáticas o de revolución. El final de la carrera esta fijo a una base soporte, mientras el otro extremo esta libre y equipado con una herramienta para manipular objetos o realizar cadenas de montaje. El movimiento de las articulaciones resulta en, o produce, un movimiento relativo de los distintos elementos. Mecánicamente, un robot se compone de un brazo y una muñeca mas una herramienta. Se diseña para alcanzar una pieza de trabajo localizada dentro de su volumen de trabajo. El volumen de trabajo es la esfera de influencia de un robot cuyo brazo puede colocar el submontaje de la muñeca en cualquier punto dentro de la esfera. Muchos robots industriales, que están disponibles comercialmente, se utilizan ampliamente en tareas de fabricación y de ensamblaje, tales como manejo de material, soldaduras por arco y de punto, montaje de piezas, pintura, carga y descarga de maquinas controladas numéricamente, exploraciones especiales y submarinas, investigación de brazos protésicos y en el manejo de materiales peligrosos. Estos robots caen en una de las tres categorías de definen movimientos básicos: Coordenadas cartesianas (tres ejes lineales). Coordenadas cilíndricas (dos ejes lineales y uno rotacional. Coordenadas esféricas (un eje vertical y dos rotacionales).
La mayoría de los robots industriales de hoy en día, aunque están controlados por mini y micro controladores, son básicamente simples maquinas posicionales. Más aun, estos robots están equipados con pocos o ningún sensor externo para obtener la información vital en su entorno de trabajo. Como resultado de esto, los robots se utilizan principalmente en tareas repetitivas relativamente simples. Se está dedicando un gran esfuerzo de investigación para mejorar el rendimiento global de los sistemas manipuladores. 1.2 Estado del arte Arduino + Processing – Make a Radar Screen to Visualise Sensor Data from SRF05 – prototipo en el cual un sensor ultrasónico nos sirve para el censado el entorno del robot y poder saber su posición con respecto a otros objetos y así poder mantener una distancia “segura”, además de poder graficarlo con processing. Arducopter: Estabilizador para helicóptero RC- prototipo utilizando un acelerómetro de dos ejes y una placa Arduino, se ha fabricado un estabilizador para su helicóptero RC. También se le han montado algunos sensores ultrasónicos para facilitar la esquiva de obstáculos. Sintonización automática de un circuito de control de posición para un servodispositivo- un circuito de control de posición que tiene un demodulador con capacidad de sintonización automática para su uso en un sistema de posicionamiento hidráulico. Este sistema fue presentado por la publicación de posgrado e investigación de la universidad La Salle en el concurso hermano Salvador González. 1.3 justificación Un brazo robótico es una herramienta utilizada para la realización de labores robustas o difíciles, con un alto grado de precisión y rapidez, lo que se busca en este proyecto es lograr una estabilidad en el brazo, ante fuerzas externas, logrando en un principio un diseño didáctico; la estabilidad es un parámetro que la mayoría de los diseñadores buscan en cada uno los proyectos propuestos debido a que las exigencias actuales en las industrias cada día son mayores. Algunas de las aplicaciones en las que se puede aplicar un brazo estabilizador, o la estabilidad de un cuerpo es en las grúas puente o guías, se puede aplicar en la estabilidad de aparatos voladores, renombrando el proyecto a “estabilidad de un cuerpo por medio de levitac ión”, por ejemplo la estabilidad de un helicóptero, cuando sufre alguna perturbación de un factor externo.
La necesidad de estabilidad surge debido a que en el ámbito industrial existen muchas perturbaciones externas que dañan la estabilidad del sistema, dañando así el desempeño laboral. Por lo que se opta por diseñar modelos con un sistema de auto- estabilización. 1.4 objetivo Diseñar y construir un prototipo de brazo robótico estabilizado por medio de regulación de velocidad de giro de una hélice acoplada a un motor de CD, controlando su posición establecida aunque exista perturbación externa 1.5 metodología
SENSOR
ARDUINO
ETAPA DE POTENCIA
POSICION DESEADA
descripcion de los bloques: sensor: sensor ultrasonico GH-311 etapa de acoplamiento: conversion ADC microcontrolador: plataforma Arduino UNO
POSICION DEL BRAZO
MOTOR DE HELICE
2 fundamento teórico
2.1 censado de distancia por ultrasonido Ultrasonido hace referencia a las frecuencias arriba de 20KHz (limite de sonido audible). Altas frecuencias tienen longitudes de onda cortas lo que hace al reflejarse en objetos esta pueda ser leída. Desafortunadamente frecuencias muy altas son difíciles de generar y leer. La generación y lectura de ultrasonido se hace a través de dos unidades piezoeléctricas en donde una de ellas es el emisor y la otra el receptor de ondas de presión ultrasónicas. Para esto, la unidademisora debe excitarse con una señal adecuada en amplitud y frecuencia. La unidad receptora transducirá todas aquellas ondas de presión ultrasónicas de 40KHz que lleguen a excitarla. El ultrasonido es aplicado comúnmente en detectores de movimiento, medidores de distancia, diagnostico médico, limpieza, pruebas no destructivas (para detectar imperfecciones en materiales), soldadura entre otras más. El funcionamiento básico de los ultrasonidos como medidores de distancia se muestra de una manera muy clara en el siguiente esquema, donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido que rebota sobre un determinado objeto y la reflexión de ese pulso es detectada por un receptor de ultrasonidos
La manera de obtener ésta información, de la distancia, se logra al hacer la medición del tiempo de vuelo. Si se toma en cuenta T0 como el tiempo en el cual una ráfaga de pulsos es transmitida y T1 el tiempo en el cual la ráfaga o parte de ella es recibida, entonces la distancia D figura 3.20.
FIGURA. 3.20 Distancia "D" entre un transductor y un objeto ( medición del tiempo de vuelo de una ráfaga de pulsos TX ). entre el sensor y el objeto se determina de la siguiente forma : D = 0.5 * C * ( T1 - T0 ) ( 3-19 ) en donde
D = distancia C = velocidad del sonido en el aire T0 = tiempo en el cual la onda de sonido es transmitida T1 = tiempo en el cual la onda de sonido es recibida se asume a la velocidad del sonido en el aire como 344 m/s .
2.2 control de motores de DC (puente H)
El circuito de abajo vemos un Puente H de transistores, nombre que surge, obviamente, de la posición de los transistores, en una distribución que recuerda la letra H. Esta configuración es una de las más utilizadas en el control de motores de CC, cuando es necesario que se pueda invertir el sentido de giro del motor.
