UNIVERSIDAD POPULAR AUTONOMA DEL ESTADO DE PUEBLA
Por: Arturo Avelino Rodríguez Brian Romero Villareal Omar Guerrero Barbosa Alejandro Hernández Hernández Couto Couto
Proyecto Final
Construcción de Prototipo Didáctico de Brazo Robótico Separador de Cajas por Color Blanco o Negro.
Aprobado por: por: Ing. Atziry Martínez Márquez
Facultad de Ingeniería Mecatrónica Puebla, Mayo 2013
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ................................................. ........................................................................... .................................................... ................................. .......
3
DEDICATORIA ................................................ .......................................................................... .................................................... ............................. ...
4
AGRADECIMIENTOS .................................................... ............................................................................. .......................................... .................
5
LISTA DE TABLAS .................................................. ............................................................................ ............................................... .....................
6
LISTA DE FIGURAS ................................................. ........................................................................... ............................................... ..................... 7 1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .......................................................... ...................................................................... ............. 8 2. JUSTIFICACIÓN .................................................... ............................................................................. .......................................... ................. 8 3. OBJETIVOS. ............................................................. ...................................................................................... ...................................... ............. 9 3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................... ........................................................................ ...................................... ............. 9 3.2 OBJETIVO ESPECÍFICOS . ...................................................... ............................................................................... ......................... 9 4. M ARCO DE TEORICO ............................................... ........................................................................ .................................. ......... ..10 5. PROCEDIMIENTO
……………………………………………………………….………22
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................................... .......................................................................... ....................... 27 7. CONCLUSIONES . .......................................................... .................................................................................... ................................ ...... 28 8.
BIBLIOGRAFÍA ................................................. ........................................................................... ............................................. ................... 28
RESUMEN Dentro de la construcción del prototipo didáctico funcional del brazo robótico clasificador de cajas por superficie blanca o negra se implemento un sistema mecánico elaborado con aluminio para garantizar la rigidez y robustez del mismo para cumplir su función principal, que como se describe líneas atrás, es la de identificar cajas con superficie blanca o negra y depositarlas en el espacio asignado. El sensor utilizado para la identificación de la superficie de la caja color blanco o negro fue el QRD1114 que por reflexión de la luz es como realiza la detección del color adecuado. Dentro del sistema mecánico para movimiento de las articulaciones del brazo robótico se utilizaron 4 servomotores para cumplir esta función, tanto para movimiento del brazo completo como para el agarre y transporte de las cajas. En cuanto al diseño e implementación de todo el prototipo fue utilizado el software de diseño “SolidWorks” para garantizar su funcionamiento y para el control de
movimiento y selección de las cajas adecuadas fue utilizado el microcontrolador Arduino UNO por su eficiencia y funcionalidad en el proyecto.
DEDICATORIA A Dios, por habernos dado una familia tan maravillosa y permitirnos llegar hasta este punto de la carrera. A nuestros padres, quienes durante todos estos años nos han brindado confianza, motivación y apoyo. Gracias por amarnos y hacernos personas de bien, con principios y valores que son más importantes que cualquier otra cosa. A nuestros profesores, quienes nos han brindado su dedicación y tiempo para enseñarnos todos sus conocimientos sobre las asignaturas. Gracias por siempre guiarnos en el camino de la ciencia y enseñarnos a ser mejores como profesionistas cada día. Al equipo de trabajo, porque siempre nos ayudamos y apoyamos mutuamente para sacar adelante todos nuestros objetivos.
AGRADECIMIENTOS Al Ingeniero Atziry Martínez Márquez, que con sus aportes conceptuales y prácticos fue posible realizar este proyecto de final de semestre bajo su supervisión. Por su apoyo y confianza en nuestro trabajo y su capacidad para guiar nuestras ideas. A la facultad de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla por facilitar sus instalaciones y recursos para llevar a cabo este proyecto. A amigos y/o compañeros de clases quienes en su momento hicieron contribuciones en este proyecto.
LISTA DE TABLAS
TABLA 1. ESPECIFICACIONES DEL PRODUCTO ………………………….………………………11 TABLA 2. LISTA DE MÉTRICAS ………………………………………………………………11
T ABLA 3. C ARACTERÍSTICAS OPTICAS Y ELECTRICAS DEL QRD ………………..…… 15
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Funcionamiento del QRD …………………………… ..………………….. 12 Figura 2. Conexión del QRD …………………………………………… ..………….. 13
Figura 3. Dimensiones y Pines QRD …………………………………….…………. 13 Figura 4. Placa Arduino UNO ………………………..………………… .…….…….. 14 Figura 5. Partes de un motor DC de imán permanente sin escobill……….…..… 17 Figura 6. Partes principales del rotor, Moto…………………………….…….…….. 18
Figura 7. Partes del estator de un motor DC ………………………….…………… 18 Figura 8. Composición de Servomotor …………………………………… ..………. 19 Figura 9. Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor ….….. 20 Figura 10. Diseño final del brazo ……….………………….…………… ..…………. 21 Figura 11. Diseño de p iezas del brazo …………………….….…….………………. 21 Figura 12. Diseño de piezas del brazo …………………….….…… .………………. 21 Figura 13. Diseño de Servomotor ……………………………….…… .…………….. 22 Figura 14. Diseño de soporte de pinza del brazo …………………………… ..…… 22 Figura 15. Diseño de pinza del brazo ……………………………………………….. 22 Figura 16. Prototipo final ensamblado energizado ………………………..……….. 25 Figura 17. Base y primeras articulaciones del prototipo …………………… .…….. 26 Figura 18. Base, primera articulación y microcontrolador del prototipo …………. 26 Figura 19. Servomotor adaptado al prototipo ………………...………………..…… 26
1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA En la actualidad las empresas a nivel mundial se encuentran en constante búsqueda de soluciones para la reducción de tiempos en organización para el almacenado y/o distribución de sus productos finales, embalados en cajas o contenedores debidamente marcados para el señalamiento de su contenido y su correcta entrega a las comercializadoras de los mismos. Esto surge a raíz de, como se menciona anteriormente, la búsqueda de agilización para el proceso final de un producto. Adaptando este proceso se busca una optimización en la línea terminal de la producción de un producto. Teniendo como mejoras esperadas, la velocidad en cuanto a separación de cajas y/o contenedores y una correcta evaluación de contenido de las mismas.
2. JUSTIFICACIÓN La idea principal de realizar este brazo robótico (prototipo didáctico) para la clasificación de cajas con superficie blanca o negra surge como método de optimización de tiempos para la línea terminal de un producto dentro de las empresas. Muchas de las veces la respuesta de consumo de un producto en una sociedad no cumple la misma demanda en la parte norte y sur ya sea de una ciudad o del país por lo que se pretende con esta automatización evitar cualquier tipo error en cuanto a la distribución de los productos correctamente embalados. Esta búsqueda deseada aportara a los actuales sistemas de clasificación, ya sea su diseño práctico y funcional, la implementación de un sensor para mejorar el método de clasificación y distribución de paquetes. Se espera que el resultado de este proyecto tenga utilidad y grandes avances en el control de dicho proceso.
3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar e implementar un prototipo didáctico de brazo robótico para la selección y clasificado de cajas o contenedores con superficie blanca o negra mediante el uso del controlador Arduino con el fin evitar inconvenientes para la distribución de un producto.
3.2 OBJETIVOS PARTICULARES
Crear un programa de control para el microcontrolador ATmega328 contenido en la placa de Arduino para su posterior implementación al desarrollo físico del prototipo didáctico del brazo robótico, creando de la misma manera una secuencia de selección y depositado final de las cajas o contenedores en el correcto espacio.
Diseño mediante software (SolidWorks) del sistema mecánico que será implementado para la generación del prototipo didáctico final para su ensamblado y ajuste correcto de los servomotores que serán utilizados para cumplir sus funciones de movimiento.
Realizar pruebas de comportamiento de los servomotores tanto para el control de su velocidad como para la adaptación correcta en sus respectivos ángulos de giro.
Crear métodos y tiempos para la construcción del brazo robótico y verificar todos los elementos mecánicos para poder proporcionar la confianza necesaria de funcionamiento así como también que todo los elementos estén adaptados de la forma mas óptima.
Identificar las características del sensor óptico QRD para definir el protocolo de selección que debe llevar a cabo para las cajas o contenedores con alguna superficie blanca o negra.
4. MARCO TEORICO ANALISIS DEL PROBLEMA La señal a producir son los parámetros para originar respuestas deseadas en este caso el factor de señal en el prototipo que es la variación de la clasificación en caso de requerir y/o variar el tamaño de las cajas que serán manipuladas por el brazo. Los factores de control son los parámetros que el diseñador puede fijar para en este en este caso controlar:
Velocidad de los motores.
Numero de cajas limitado o ilimitado que serán manipuladas.
Control del sensor óptico para la identificación de las cajas.
Los factores de ruido son las variables que no podemos controlar de manera explícita, dichas variables son:
Ruidos externos en los circuitos.
Numero de cajas a clasificar y/o manipular.
Histéresis de sensores.
Desgaste de componentes.
Mal manejo de componentes.
PREPARACION DE ESPECIFICACIONES Las especificaciones del prototipo didáctico se basan en la funcionalidad del mismo para realizar la clasificación de cajas por color blanco y negro realizando controles de depósito para organizar las cajas con superficie blanca en un determinado espacio y las cajas con superficie negra en un determinado espacio distinto al anterior. La clasificación por colores se realiza por medio de la implementación de un sensor óptico QRD, utilizando la plataforma de hardware libre Arduino. Regulando de forma correcta la velocidad de los servomotores del
brazo para el transporte de las cajas a clasificar y depositar en el espacio correspondiente al color de la superficie identificada por el sensor.
Tabla 1. Especificaciones del producto Núm.
Necesidad
Imp.
1
Clasificación por color (b/n).
5
2
Agilizar el proceso.
3
3
Estética del prototipo.
3
4
Diseño óptimo.
3
5
Resistencia del prototipo.
5
6
Competitividad en el mercado.
4
Tabla 2. Lista de métricas Métrica Núm. Núm.
de
Métrica
Imp.
Unid.
necesidad
1
1
Identificación de colores (b/n).
5
Color
2
2
Agilizar el proceso.
3
mm/s
3
4y5
Resistencia
5
N/m^2
4
6
Competitividad con el mercado
4
COP
GENERACIÓN DE POSIBLES SOLUCIONES El problema que se plantea en el presente escrito busca de manera analítica y específica la solución
a la búsqueda de optimización en la velocidad de
clasificación de cajas y/o contenedores con alguna superficie blanca o negra para su correcta distribución. Para esto se implementara un sensor óptico QRD para cumplir la función de la identificación y clasificación de cajas con superficie de distinto color (b/n). Este buscara a través de IA (inteligencia artificial) clasificar dos tipos de colores soportándose sobre la plataforma de hardware libre Arduino.
Clasificación de color: Para lograr la clasificación del color entre el blanco y negro se requiere de un sensor óptico QRD, un sensor de reflexión, consiste en un diodo que emite luz infrarroja y un fototransistor del silicio de NPN montado al lado del otro en una caja de plástico negro. El eje de la radiación del emisor y la respuesta en el eje del detector son perpendiculares a la cara de la QRD1114. El fototransistor responde a la radiación emitida por el diodo sólo cuando un objeto o superficie reflectante está en el campo de visión del detector. Como se puede observar en la figura la luz generada por el emisor llega a la superficie y de pendiendo del material y color de este se reflejara o no (se producen otro tipo de fenómenos pero lo que nos interesa es si se refleja o no ) dependiendo de
esto
el
receptor
interrumpirá o no el paso de energía . [1]
Figura 1. Funcionamiento QRD. Fuente [1]
Este
sensor
realmente
es
un
foto
transistor que opera con un haz de luz infrarroja del cual se utilizarán las regiones de saturación y corte para determinar si el sensor está sobre color blanco (saturación, 0 lógico) ó sobre la línea negra (corte, 1 lógico). Para ello se
Figura 2. Conexión del QRD.
propone una conexión como la mostrada en
Fuente [2]
la Figura 2. Los valores de las resistencias que aparecen en la Figura 2 son los valores que se usan en la implementación de este dispositivo ya que, con dichos valores el sensor funciona muy bien. Existen otros modelos de sensores como lo son el CNY-70 y el HOA1397 sin embargo las razones por las cuales no se eligieron estos modelos es porque el CNY-70 es un sensor un poco más grande y el HOA1397 a pesar de que es del mismo tamaño, su haz de luz infrarroja es muy débil, motivo por el cual es más complicada su polarización; sin embargo, para aplicaciones de distancias que estén por el orden de milímetros es un sensor bastante eficiente pero es más costoso. Para ambos sensores su modo de operación y forma de conexión es exactamente igual al QRD1114. [2] Para la implementación y utilización del sensor debemos requerir de algunas especificaciones técnicas muy importantes por eso como parte de la busqueda se acude a los datasheets del componente
para
ver
sus
distintas
especificaciones.
Figura 3.Dimensiones y Pines QRD. Fuente [3]
Como parte de lo mismo es de vital importancia verificar los datos de la siguiente tabla para ajustar lo necesario.
Tabla 3. Características ópticas y eléctricas del QRD [3]
Microcontrolador del prototipo didáctico (Arduino): Arduino es una herramienta para hacer que los ordenadores puedan sentir y controlar el mundo físico a través de tu ordenador personal. Es una plataforma de desarrollo de computación física (physical computing) de código abierto, basada en una
placa
con
microcontrolador desarrollo
Figura 4.Placa Arduino UNO. Fuente [4]
para
y
un un crear
(programas) para la placa.
sencillo
entorno
de
software
El lenguaje de programación de Arduino es una implementación de Wiring, una plataforma de computación física parecida, que a su vez se basa en Processing, un entorno de programación multimedia. Ahora bien dentro de todas las especificaciones de la placa Arduino UNO encontramos todas las siguientes: 14 entrada/salida digitales, de los cuales 6 pueden se usados como salidas PWM Posee 6 entradas analógicas Los pin 0 y 1 pueden funcionar como RX y TX serial. Un oscilador de crystal de 16 MHz Conector USB Un jack de poder Una conector ICSP Botón de Reset La Arduino UNO posee todo lo que se necesita para manejar el controlador,
simplemente se conecta a un computador por medio del cable USB o se puede alimentar utilizando una batería o un adaptador AC-DC. Si se conecta por USB, la alimentación externa no es necesaria.
Algunas características son: Microcontroller
ATmega328
Operating Voltage
5V
Input Voltage (recommended)
7-12 V
Input Voltage (limits)
6-20 V
Digital I/O Pins
14 (of which 6 provide PWM output)
Analog Input Pins
6
DC Current per I/O Pin
40 mA
DC Current for 3.3V Pin
50 mA
Flash Memory
32 KB (of which 0.5 KB used by bootloader)
SRAM
2 KB
Las Entradas analógicas son de 10 bits, por lo que entregan valores entre 0 y 1023. El rango de voltage está dado entre 0 y 5 volts, pero utilizando el pin AREF disponible, este rengo se puede variar a algún otro deseado.[4]
Motores Los motores de corriente continua o también llamados de corriente directa (C.C. o D.C) son comúnmente utilizados en aplicaciones de robótica, dispositivos mecatrónicos y dependiendo del entorno y uso, en sistemas industriales. Los motores DC tienen algunas ventajas sobre los motores AC, por ejemplo: Fácil accionamiento; simple, solo es necesario aplicar la tensión de alimentación entre sus bornes. Para invertir el sentido de giro basta con cambiar la polaridad en sus bornes de alimentación. Regularmente requieren de bajo nivel de voltaje (tensión) para funcionar. Mantienen un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades. Alta capacidad de sobrecarga. Poseen gran facilidad de inversión de marcha de los motores grandes con cargas de inercia considerable, al mismo tiempo que devuelven energía a la línea actuando como generador, facilitando el frenado y la reducción de velocidad. [5] También presentan algunas desventajas, por ejemplo: A diferencia de los motores pasos a paso y los servomotores, los motores DC no pueden ser posicionados y/o enclavados en una posición específica. Estos simplemente giran a la máxima velocidad y en el sentido que la alimentación aplicada se los permite. Su proceso de fabricación es más complicado, lo que los hace más caros.
Las partes fundamentales de un motor DC son:
Inductor o estator: Es un electroimán formado por un número par de polos. Las bobinas a su alrededor son las encargadas de producir el campo inductor al circular por ellas la corriente de excitación.
Inducido o rotor: Es una pieza giratoria (eje) formada por un núcleo magnético alrededor del cual va el devanado de inducido, sobre el que actúa el campo magnético.
El rotor es la parte móvil del motor, esta parte genera el torque para mover la carga, entre sus componentes encontramos: Eje
o
Núcleo
o
Devanado
o
Colector
o
Figura 5. Partes de un motor DC de imán permanente sin escobillas Fuente [6]
Figura 6. Partes principales del rotor, Motor DC Fuente [7]
Figura 7. Partes del estator de un motor DC Fuente [7]
Servomotores: Estos dispositivos son considerados una de las materias primas en el diseño y la construcción de losrobots. Si combinamos y administramos los movimientos en un montaje mecánico adecuado, un grupo variable de servomotorespuede dar motricidad y locomoción a sistemas controlados de manera local o remota. Desde pequeñas aplicaciones didácticas hasta el más complejo diseño robótico. Los límites son tu imaginación y tus ganas de aprender.
“Dadme un punto de apoyo y moveré al mundo” habría dicho Arquímedes de
Siracusa, arrastrado quizá por un entusiasmo desmedido ante su descubrimiento de la ley de la palanca. A partir de allí comienza la historia de las máquinas simples, y el dispositivo que veremos y aplicaremos hoy en este artículo es un buen ejemplo de ello. Un servomotor es básicamente
un actuador
mecánico basado en un motor y un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final, el cual posee elementos de control
para monitorear
de
manera constante la posición de un elemento mecánico que será el enlace con el mundo exterior. Es decir, ante una acción inducida electrónicamente
a
Figura 8.Composición de Servomotor.
un servomotor,
Fuente [8]
obtendremos por resultado una respuesta mecánica controlada. Por ejemplo, los motores que forman parte de una impresora, junto a los sistemas de control de avance o retroceso del papel, forman un servomotor. Las aplicaciones de estos sistemas esclavos se pueden observar mayormente en aeromodelismo y robótica, pero no son exclusivos de estos usos. Cualquier sistema que requiera un posicionamiento mecánico preciso y controlado dependerá de un servosistema o servomecanismo, actuado, por supuesto, por un servomotor. El zoom de una cámara, el autoenfoque de un conjunto óptico, un sistema de movilización de cámaras de vigilancia y hasta las puertas automáticas de un ascensor son sencillos ejemplos de su aplicación.
El motor posee la característica de girar a una buena velocidad, la cual disminuye por los juegos de engranajes de la caja reductora que aprovechan esta velocidad para transformarla en fuerza de trabajo. Al girar el último engranaje acoplado al eje de salida obtenemos una velocidad notablemente reducida, a pesar de que, dentro del sistema, el motor está girando a altas velocidades.[8]
Figura 9.D i ag r a m a
en blo ques d e la
e s t r u c t u r a i n t e rn a d e u n s e r v o m o t o r.
Fuente [8]
5. PROCEDIMIENTO DISEÑO EL BRAZO ROBOTICO Esta parte fue de vital importancia para el desarrollo del proyecto ya que en este punto es donde surgen principalmente todas las interrogantes sobre los espacios y el correcto funcionamiento del mismo. Como ya se mencionó en secciones anteriores se utilizo el software de d iseño “SolidWorks” para ir realizando el diseño de las partes que conforman el prototipo del brazo robótico separador de cajas de color con superficie blanca o negra. Avanzando como se muestra a continuación:
Figura 10.Dis eño
fi nal d el b razo .
Fuente [Autores]
Figura 11 y 12.Dis eño
d e p iezas d el
brazo.
Fuente [Autores]
Figura 13.Dis eño
de Serv om ot or
Fuente [Autores]
Figura 14.Dis eño d e
so po rte d e pi nza
del brazo.
Fuente [Autores]
Figura 15.Dis eño
de pi nza del br azo.
Fuente [Autores]
CREACIÓN Y PRUEBA DEL PROGRAMA DE CONTROL: En esta parte se fueron implementando cada uno de los componentes del brazo como lo son los motores y el sensor. Se realizaban pruebas en solitario para ir creando el código para el funcionamiento de cada uno de los componentes para llegar a la conclusión unificando el código a uno solo cumpliendo el funcionamiento deseado para la identificación y separación de las cajas de acuerdo al color de su superficie ya sea blanco o negro. El código establecido finalmente se muestra a continuación:
ENSAMBLE Y PRESENTACIÓN FINAL DEL PROTOTIPO: En esta sección se muestra el ensamblaje final del prototipo para su prueba general y su posterior presentación ante la audiencia general mostrando como funciona y examinando sus características. El ensamblaje y presentación final del prototipo didáctico quedan de la siguiente manera:
Figura 16.Prototipo final ensamblado energizado. Fuente [Autores]
Figura 17.Base y primeras articulaciones del prototipo. Fuente [Autores]
Figura 18.Base, primera articulación y microcontrolador del prototipo. Fuente [Autores]
Figura 19.Servomotor adaptado al prototipo. Fuente [Autores]
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS. Los resultados se analizaron previamente por medio de pruebas como:
Prueba de sensor óptico.
Pruebas en placa Arduino.
Prueba programa en servomotores.
Pruebas mecánicas (simuladas).
Prueba motor con ensamble final.
Con las anteriores pruebas se puede analizar que los distintos elementos que se van a implementar en el brazo robótico, si están funcionando correctamente y si pueden ser integrados para alcanzar los objetivos estipulados en este proyecto.
7. CONCLUSIONES
Se puede concluir que un desarrollo planificado y bien establecido de un proyecto facilita mucho su elaboración para lograr obtener los resultados deseados sin la necesidad de trabajar bajo presión.
El uso de software de diseño “SolidWorks” es de vital importancia para
generar ideas en 3D y modificarlas a gusto para que pueda ir cumpliendo los objetivos del proyecto hasta que se pueda implementar físicamente.
La programación dentro de la placa Arduino es de mucha ayuda para este tipo de proyectos ya que su facilidad de programación y su gran eficiencia aporta un gran apoyo para la elaboración y/o prueba de las partes para evitar lo mas posible los errores.
Debido a la inexperiencia en soldadura y corte de piezas y/o partes de aluminio se tuvieron que improvisar diversos cambios en la estructura del brazo los cuales no afectaron en el resultado final y deseado del prototipo.
Los servomotores se deben tener muy en cuenta al adaptarlos a la estructura debido a sus 180° de libertad ya que si no se corroboran de manera correcta la articulación o movimiento del brazo puede verse afectado o muy limitado.
8. BIBLIOGRAFÍA [1] http://m-team.blogspot.mx/2010/10/nivel-sensorial.html Consultado en Mayo 2013 [2] http://148.206.53.231/UAMI14446.pdf Consultado en Mayo 2013 [3] https://www.sparkfun.com/datasheets/BOT/QRD1114.pdf Consultado en Mayo 2013 [4] http://www.arduino.cl/int/caracteristicas.html Consultado en Mayo 2013 [5] http://www.tecnoficio.com/electricidad/velocidad_de_motores_electricos3.php Consultado en Mayo 2013 [6] http://www.todorobot.com.ar/documentos/dc-motor.pdf Consultado en Mayo 2013 [7]http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/aparato-control-67966-_27.html Consultado en Mayo 2013 [8] http://www.neoteo.com/servomotores-el-primer-paso-hacia-tu-robot Consultado en Mayo 2013
