INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIA ZACATECAS IPN-UPIIZ AVANCES DE LA METODOLOGIA DEL DISEÑO MECATRÓNICO -PROYECTO INTEGRADOR“Hexápodo Robótico para muestra y uso didáctico en cursos de Robótica Básica” (Metodología de Diseño Mecatrónico)
QUE PRESENTA Pavel Hernández López ASESOR M. en C. Carlos Daniel Rico Mandujano
Zacatecas, Zac. Junio del 2016
RESUMEN En la actualidad la mecatrónica es fundamental tanto para la industria como para la vida cotidiana con la innovación de sistemas de transporte, sistemas de manufactura, máquinas de control numérico, nano-máquinas y por supuesto robots. La necesidad de crear procesos de manufactura, bienes de capital y productos cada vez más especializados en el área industrial, así como la creación de productos y sistemas mecánicos de uso cotidiano, ha llevado al hombre a trabajar en forma multidisciplinaria para la creación de dichas tecnologías, en este caso un robot hexápodo. La integración cada vez más más creciente de los sistemas diseñados y creados con la mecánica y la electrónica han llevado a la fusión de estas disciplinas formándose una nueva llamada mecatrónica, misma que está siendo aplicada tanto en la automatización y control de las fábricas, como en productos y aparatos de uso cotidiano.
Palabras clave: Mecatrónica, procesos de manufactura, hexápodo, robótica. ABSTRACT Today mechatronics is essential for both the industry and everyday life with the innovative transportation systems, manufacturing systems, CNC machines, machines and nano-robots of course. The need to create manufacturing processes, capital goods and increasingly specialized products in the industrial area and creating products and mechanical systems for everyday use, has led man to work in a multidisciplinary way for the creation of such technologies in this case a hexapod. The ever-increasing integration of systems designed and created with the mechanics and electronics have led to the merger of these disciplines discipl ines forming a new mechatronics call it being applied in both the automation and control of the factories and products and everyday appliances.
Keywords: Mechatronics, manufacturing processes, hexapod, robotics.
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Contenido OBJETIVO ...................................................................................... ....................... 3 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... ..... 3 INTRODUCCIÓN .............................................................................................. ..... 4 DESARROLLO ...................................................................................................... 6 Identificación de necesidades ............................................................................. 7 Análisis del Problema ......................................................................................... 7 Definir especificaciones de diseño deseables ................................................... 12 Diseño Conceptual ........................................................................................... 14 Selección de una solución adecuada ................................................................ 34 Diseño Detallado (CAD, CAM, CAE) ................................................................. 36 Documentación .............................................................................................. ... 54 Construcción de Prototipo ................................................................................. 58 Pruebas ....................................................................................... ..................... 65 CONCLUSIONES ................................................................................................ 65 FUENTES DE CONSULTA .................................................................................. 66 ANEXOS ....................................................................................... ....................... 67 Justificación de Costos ..................................................................................... 67
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OBJETIVO Crear un hexápodo que cumpla con las características necesarias para que funcione como un prototipo didáctico para estudiantes de niveles básicos; para finalmente poder usar el robot para exhibición en los talleres de robótica básica.
JUSTIFICACIÓN Actualmente la tecnología se está convirtiendo en algo fundamental para el desarrollo de la sociedad; sobre todo el interés de los niños por aprender a desarrollarla. Aunque el sistema educativo de México no le ha dado la importancia al acercamiento temprano para el desarrollo tecnológico es vital que los niños comiencen a relacionarse con este tipo de tecnologías como lo hacen en otros países como China, Japón, USA, etc. Es por eso que la realización del prototipo (Robot Hexápodo) contribuirá para llamar la atención y acercar a los niños de educación básica a disciplinas como la robótica, electrónica, diseño y sobre todo para estimular y explotar la gran creatividad que tienen a esa edad.
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INTRODUCCIÓN En el siguiente documento se presenta el avance de los primeros pasos de la “Metodología de Diseño Mecatrónico”, que parte de la idea de un producto a elaborar el cual se debe integrar por distintas disciplinas del área de Mecatrónica. La integración de varias disciplinas es la base de un buen proyecto, es por eso que se generó una materia curricular en los planes de estudio de Ingeniería Mecatrónica, y su objetivo principal es hacer un prototipo que este conformado por conocimientos adquiridos que se vienen obteniendo. Esta unidad de aprendizaje contribuye a formar el perfil de egreso como Ingeniero Mecatrónico, porque integra las técnicas y herramientas del diseño mecatrónico en un proyecto de ingeniería. Asimismo, se favorecen las competencias siguientes: resolución de problemas, toma de decisiones, trabajo en equipo, identificación de problemas relevantes del contexto profesional, la comunicación, la creatividad, y el pensamiento crítico; para la solución de problemas afines al área de ingeniería. La mecatrónica es el conjunto de la mecánica, electrónica, informática y los sistemas de control, por por lo cual el principal objetivo de la mecatrónica mecatrónica es el diseño de procesos automatizados. En la actualidad la mecatrónica es fundamental tanto para la industria como para la vida cotidiana con la innovación de sistemas de trasporte, sistemas de manufactura, máquinas de control numérico, nano-máquinas y por supuesto robots. La necesidad de crear procesos de manufactura, bienes de capital y productos cada vez más especializados en el área industrial, así como la creación de productos y sistemas mecánicos de uso cotidiano, ha llevado al hombre a trabajar en forma multidisciplinaria para la creación de dichas tecnologías. La integración cada vez más creciente de los sistemas diseñados y creados con la mecánica y la electrónica han llevado a la fusión de estas disciplinas formándose una nueva llamada mecatrónica, misma que está siendo aplicada tanto en la automatización y control de las fábricas, como en productos y aparatos de uso cotidiano.
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Ilustración 1 Panorama general de la ingeniería en mecatrónica.
Para un buen desarrollo de proyectos se debe definir el pensamiento creativo como: La creatividad, invento, pensamiento original, imaginación constructiva, pensamiento divergente o pensamiento creativo, es la generación de nuevas ideas o conceptos, o de nuevas asociaciones entre ideas y conceptos conocidos, que habitualmente producen soluciones originales.
Es importante destacar que el pensamiento creativo debe tener un resultado, ya sea a través de una acción interna (como llegar a una conclusión, formular una hipótesis o tomar una cierta decisión) o de una acción externa (como escribir un libro, pintar un cuadro o componer una canción).
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DESARROLLO Para el desarrollo de este Proyecto Integrador, se debe de seguir una metodología de diseño, la cual se basa en:
1.
Identificación de necesidades Estudio de mercado Cliente Análisis del Problema Sub-problemas Especificaciones de funciones principales y secundarias (IDEF-0) Definir características Definir especificaciones de diseño Recopilación de información Investigación de antecedentes y problemas similares Definición de parámetros, alcances y limitaciones (uso de Métricas y valores) Diseño Conceptual Lluvia de Ideas Representación general con bocetos y diagramas Programación de Actividades con Diagrama Gantt Selección de una solución adecuada Se fijan los criterios de selección Evaluar Soluciones
2.
3.
4.
5.
6.
Diseño Detallado (CAD, CAM, CAE)
7.
Documentación
8.
Construcción de Prototipo
9.
Pruebas
Estos pasos son fundamentales para cualquier tipo de proyecto mecatrónico.
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Identificación de necesidades Se detectó en las necesidades de un ámbito estudiantil básico, el interés que un estudiante de primaria o secundaria le tiene a la Robótica; el problema se basa en la inexistencia de una forma, tal que, se le pueda demostrar y enseñar a un niño las bases de la Robótica sin si n tener material didáctico. Es una muy buena oportunidad para para asentar conocimientos como futuros ingenieros en Mecatronica y se desarrollen proyectos el cual consistan en la elaboración de un robot, para después hacer demostraciones a niños interesados por aprender a desarrollar tecnología; y contribuir en el crecimiento educativo de un niño el cual se basa en competencias.
Se cree que el contacto del alumno con el robot es el mejor método para aprender y entender el mundo de la robótica, ya que las prácticas permiten simular los problemas que se va a encontrar cuando esté trabajando con sus robots. “No debería haber algo como matemáticas aburridas” , dijo alguna vez el
científico polaco Edsger Dijkstra.
Análisis del Problema Como ya se mencionó, en muchas instituciones de educación básica y sobre todo en instituciones públicas es muy complicado dar a conocer los fundamentos de dispositivos tecnológicos (Robots) a sus estudiantes. Puesto que los modelos educativos del país no se contemplan tales materias de aprendizaje. Es por eso que muchas personas acuden a instituciones privadas que tienen el recurso suficiente para poder adquirir “prototipos didácticos” y asesores capacitados en la rama. Para tener un buen análisis, se divide al problema en sub-problemas. En este caso se tienen como sub-problemas: una metodóloga de diseño a seguir, falta de divulgación para generar acercamientos y crear interés a los niños, el costo de los cursos y materiales, la falta de componentes y elementos, y sobre todo prototipos para muestra y uso didáctico. 7 IPN-UPIIZ
En el Mapa Conceptual que se muestra a continuación se presentan los sub-problemas antes mencionados para tener un mejor entendimiento y la descripción de cada una de las raíces del problema. Mapa Descriptivo del Problema Principal
Cursos básicos de Robótica a base de la metodología
'Learning by doing'
Divulgación de
Facilidad de Costos de los Prototipos
Llamar la atención de los niños mostrándoles un prototipo funcionando
Reducir costos en el diseño utilizando el
adquirir productos
Metodología de diseño
Falta de Prototipos
Reutilizar componentes para su reciclaje
Didácticos
ingenio de los niños
Fiabilidad y
Mantener un diseño económico
viabilidad de su construcción
Hacer un diseño para que sea lo más osible didáctico
Manipulación del prototipo con software virtuales o sensorialmente 8 IPN-UPIIZ
La divulgación de información de Robótica ha sido distorsionada y usada para beneficios para empresas desarrolladoras de “Kits de Robótica” que los han vuelto algo muy alejado para estudiantes por los altos costos en que están cotizados. En muchas fuentes de consulta y sobre todo en internet se le ha hecho una mala divulgación a los proyectos tecnológicos por la dificultad y la falta de conocimientos avanzados, sin embargo, la robótica es una rama de la tecnología que se puede explicar y enseñar a estudiantes de manera muy básica, fácil y divertida. La falta de componentes y elementos es otro sub-problema que se debe tomar mucho en cuanta ya que son muy difíciles de conseguir, sobre todo en el estado de Zacatecas, y es más complicado conseguir robots de muestra y didácticos en buen precio. Se tiene como certeza que muchas personas estudien por su cuenta los fundamentos de la robótica y construyan prototipos, empero, para estudiantes pequeños es muy importante que se les muestre y motive con proyectos ya terminados y funcionando. Continuando con el análisis del problema y sus sub-problemas que conlleva, es necesario tener en cuenta los sistemas y las funciones de nuestra necesidad, es por eso que se acude a los diagramas IDEF-0, y para la elaboración de estos diagramas se utiliza el software llamado Edraw Max.
Ilustración 2 Nivel A-0 del Sistema Principal
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Ilustración 3 Nivel A0 Sub-Sistemas Definidos
Ilustración 4 Nivel A1 (Acondicionamiento de Señal de Sensor).
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Ilustración 5 Nivel A2 (Control).
Ilustración 6 Nivel A3 (Movimiento de Actuadores).
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Definir especificaciones de diseño deseables No es tanto que los alumnos quieran aprender ingeniería robótica a una edad tan precoz, sino para asimilar conceptos como trabajo en equipo y desarrollo de su creatividad. La mayoría de los niños están para “aprender haciendo” haciendo” -metodología educativa conocida como 'learning by doing'-, y para cubrir su desarrollo educativo. No hace mucho tiempo, en una escuela privada de la ciudad, se decidió implementar un curso de verano en donde se tenía contemplado un taller de robótica; como era de esperase tuvo mucha demanda, cuando culminó el curso los resultados fueron las creaciones de unos carritos aerodinámicos con un pequeño motor DC y hecho con materiales reciclables. Después se citaron los trabajos a una exposición con otra escuela, lo cual fue muy bueno porque se compartieron prototipos con los de otras escuelas, sin embargo, la exposición era escasa de prototipos más complejos y por lo cual los niños y demás personas se quedaban con ganas de haber conocido e interactuar con prototipos más avanzados. Actualmente, en los programas académicos dedicados al desarrollo de hardware y software es de vital importancia disponer de herramientas y plataformas apropiadas para lograr un buen desarrollo de las capacidades adquiridas en la ingeniería, a través de la teoría y con la experiencia. En el área de la robótica, disponer de una plataforma completa, la cual contenga todos los elementos necesarios para desarrollar una buena y completa práctica, conlleva a una óptima familiarización entre el estudiante y el área. Existen varias formas de clasificar robots. Desde un primer punto de vista, podemos dividir éstos en experimentales y aplicados. La primera categoría incluye aquellos robots de propósito general diseñados para realizar un conjunto bastante amplio de experiencias, es decir, aquellos pensados con un estricto enfoque de investigación. La segunda categoría abarca los robots construidos con algún propósito específico (industrial, de exploración, etc...). Desde otro punto de vista, se pueden encontrar robots móviles o estáticos. Los robots industriales son fundamentalmente estáticos, es decir, incapaces de desplazarse libremente por un entorno no limitado. Dentro de los robots móviles, se encuentra una primera división en robots autónomos y no-autónomos. Los primeros portan todo el software y hardware de control sobre la estructura mecánica. Esto les da un rango de alcance limitado 12 IPN-UPIIZ
únicamente por la duración de las fuentes de alimentación que utilicen, pero encarece y produce una mayor complejidad en el sistema. Ahora, los robots móviles pueden clasificarse atendiendo al medio de locomoción que utilicen. Los robots con patas permiten desplazamientos más eficientes sobre terrenos de cualquier tipo (rugosos, con obstáculos o desniveles,...), además de ofrecer un control de estabilidad más completo y requerir menor potencia. Los robots con otro tipo de locomoción (ruedas, orugas,...) simplifican el posicionamiento y los cálculos necesarios para el mismo. Existen diversos sistemas con patas desarrollados por Universidades u otras entidades en los años precedentes. Continuando con la metodología, es necesario que seamos más puntuales con las necesidades del problema, la cual, como se ha venido mencionando se necesita crear un prototipo que tenga las siguientes necesidades y características (métricas).
Necesidades generales: 1- Espacio de trabajo pequeño 2- Prototipo resistente y fuerte 3- Costeable 4- Costos de Mantenimiento económicos 5- Garantía 6- Prototipo para uso y muestra muestra
Características (métricas) deseables: 1- Dimensiones generales (área de trabajo: 20x20 cm ) 2- Didáctico (fácil de manipular) 3- Materiales sólidos y duros 4- Reconfigurable (Se le pueda pueda cambiar su programación) 5- Demostrativo (Que pueda hacer múltiples múltiples movimientos) 6- Seguro contra riesgos (No correr riesgos múltiples múltiples al usarlo) 7- Económico (Que sea costeable a comparación de otros del mercado) 8- Movible (Que pueda ser trasladado fácilmente de un un lugar a otro) 13 IPN-UPIIZ
9- Robot Inteligente (Que pueda moverse o hacer tareas por propia cuanta) 10- Eficiente
En la Tabla 1 se hace referencia a las necesidades generales y a las características, conformándose las métricas de nuestra necesidad para tener un mejor entendimiento en el nivel de importancia y en los límites de acotación de cada métrica. Tabla 1 Métricas
Métrica No.
Necesidades
Métrica
Importancia
Unidades
Valor marginal
Valor ideal
1
1
Dimensiones
3
cm^2
<400
324
2
6
Didáctico
1
%
>90
100
3
2
Materiales sólidos y duros
3
%
>60
90
4
6
Reconfigurable
2
%
>70
80
5
6
Demostrativo
1
%
>90
100
6
5,6
%
>95
100
7
3,4
Seguro contra riesgos Económico
1
M.N
5,500
5,000
8
1,2,6
Movible
2
%
>99
100
9
6
Robot Inteligente
2
%
>50
90
10
3,4,6
Eficiente
3
%
>80
90
Diseño Conceptual Una vez que hemos definido las especificaciones de diseño deseado, podemos continuar con los conceptos del diseño generales para crear las soluciones al problema. 14 IPN-UPIIZ
Reconsiderando nuestro objetivo principal: “Crear un robot Hexápodo que cumpla con las características necesarias para que funcione como prototipo didáctico para estudiantes de niveles básicos; para finalmente poder usar el robot para exhibición en los talleres de robótica básica.”
Es así como se puede considerar la meta del prototipo, la cual se basa en construir una experiencia educativa integral orientada a desarrollar la creatividad, valores y razonamiento de niños y jóvenes, a través de la robótica, la ciencia y la tecnología por medio de la diversión usando un Prototipo de Robot Hexápodo. Comenzaremos por definir los tipos de robots como se puede observar en el mapa conceptual siguiente: Mapa Conceptual de la clasificación de los Robots
Clasificación De Robots
Estáticos
Brazos Robóticos Industriales
Experimentales y Aplicados
Móviles
Autónomos
No- Autónomos
Locomoción
Recordando algunas especificaciones del prototipo a desarrollar como: medias generales de (20x20 cm), didáctico y demostrativo, y conforme al mapa anterior los robot Hexápodos se van por la rama de “Robots Móviles”, icamente Móviles”, específ icamente d e las definiciones d efiniciones de los conceptos de Robot móvil, robots “ Autónomos”. Autónomos”. A partir de autónomos etc., (ya antes dichas en el punto 3 de d e la metodología).
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Dentro de los Robots Móviles Autónomos también están definidos de acuerdo a su locomoción, como se muestra en el mapa conceptual siguiente:
Mapa Conceptual de la clasificación de Locomoción para Robots Móviles
Gracias a esta información se puede asegurar que el Robot Hexápodo está dentro de la clasificación de “Robots Móviles Autónomos con extremidades ”. Cabe mencionar que la proporción de trabajos en los que se implementan los robots con extremidades es muy usada, en los cuales se puede evidenciar que la implementación de robots con seis extremidades, es decir hexápodos, es dominante con respecto a los demás. Véase la Ilustración 8.
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Ilustración 7 Proporción de trabajo con robots de diferentes número de patas.
Según la R.A.E. (Real Academia Española) define la palabra Hexápodo como animal, y especialmente de un insecto: - Que “adjetivo. Zoología. Dicho de un animal, tiene seis patas. U. t. c. s. (usado también como sustantivo)”.
El hexápodo es una estructura animada o inanimada que consta de seis extremidades la cuales están ubicadas paralelamente entre ellas en un cuerpo, dotado de movimiento voluntario o controlado. Como ejemplo de seres animados hexápodos se encuentran alguna variedad de insectos como las hormigas; y como inanimados la representación de estos mismos seres en forma robótica.
Ilustración 8 Representación inanimada y animada de una estructura Hexápodo
Dado que un robot puede ser estable estáticamente en tres o más patas, un robot hexápodo tiene aún más flexibilidad para moverse. Si las piernas se incapacitan, el robot puede aún ser capaz de caminar. Además, no se necesitan todas las patas del robot para la estabilidad, las otras patas son libres de llegar a nuevas colocaciones o manipular una carga útil. Muchos robots hexápodos son biológicamente inspirados en la locomoción hexápoda. 17 IPN-UPIIZ
Dos conceptos importantes que se deben tener en cuenta a la hora de elaborar robots con extremidades es la estabilidad estática y estabilidad cinemática. La estabilidad estática se refiere a la capacidad del robot de permanecer en equilibrio (sin caerse) cuando no está en movimiento, mientras que la estabilidad cinemática hace referencia a la capacidad de permanecer en equilibrio durante su movimiento, es decir se debe desarrollar una estrategia de movimiento para lograr un desplazamiento limpio (sin caerse) y que sus extremidades sean coordinadas. Véase el mapa conceptual siguiente.
Locomoción de un Robot Hexá odo
Estabilidad
Estabilidad
Estática
Cinemática
Permanencia en Equilibrio
Capacidad de
(Sin Movimiento)
Permanecer en Equilibrio (Con Movimiento)
Los robots hexápodos tienen ventaja en comparación a los robots con un número de extremidades inferior, debido a que existe una mayor cantidad de configuraciones disponibles en las que el sistema conserva un polígono de estabilidad definido en todas las fases de su protocolo de movimiento. Dentro de la configuración para el posicionamiento de las extremidades se tienen dos:
Configuración Bilateral. Esta configuración presenta una simetría a lo largo del eje longitudinal del robot. Tiene ventaja a la hora de la programación de los movimientos, ya que la configuración física del robot aporta para el avance con movimientos paralelos, pero presenta inconvenientes en otro tipo de movimientos, en especial en movimiento de giros. Esto se puede arreglar implementando en la programación 18 IPN-UPIIZ
de control una parte exclusivamente para el giro pero presenta complicaciones en el desarrollo del software ya que se debe realizar estrategias de movimiento más robustas y con mayor número de estados. Véase Ilustración X.
Ilustración 9 Configuración Bilateral
Configuración Radial Esta configuración, como se puede ver en la Ilustración 11, presenta una distribución de las extremidades en forma circular lo cual no presenta problemas de desplazamiento, ya que su movimiento en cualquier dirección es igual. Es decir que estos tipos de robots son holonómicos.
Ilustración 10 Configuración Radial
Otro aspecto importante que se debe considerar antes de diseñar el Hexápodo, es la construcción de patas, es decir, la estructura que va tener el Robot Hexápodo para poder realizar la locomoción de movimiento. Ésta se diseña de acuerdo a: Según el terreno en que se moverá moverá el robot Según sus grados de libertad de las extremidades Estructura
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En esta parte se debe definir lo que conlleva la estructura. Véase el diagrama siguiente.
Articulaciones de rotación (Servomotores) Estructura Para el posicionamiento de la extremidad
Se debe de considerar que el movimiento de las extremidades va ser provocado por rotaciones. En otros casos podrían ser lineales como neumáticos o hidráulicos. En el Mapa conceptual siguiente se presenta el posicionamiento de una extremidad, el cual nos dice que para posicionar completamente el extremo de una pata se necesitan seis grados de libertad, tres para la posición y otros tres para la orientación; como el extremo de la pata se considera puntual (no hay movimiento) no habrá falta especificar su orientación, solo son suficientes tres grados de libertad para la posición. Posicionamiento de una extremidad Para posicionarlo completamente se necesitan 6 grados de libertad
3 GDL para la posición
Solo se necesitan 3 GDL
3 GDL para la orientación
Si la extremidad se considera puntual, no hace falta usarlos
Tomando en cuenta lo que nos dice el Mapa conceptual anterior, “Solo se necesitan 3 Grados de Libertad” , se deben definir las estructuras posibles de 3 GDL para las extremidades de un Robot Hexápodo. Las estructuras básicas de 3 GDL están dadas por el Paralelogramo Deformable, la Actuación IN-SITU y el Pantógrafo. Que ésta última no es usada. -
Paralelogramo Deformable Hay dos elementos superpuestos paralelos que juntos forman aproximadamente una figura de un paralelogramo y al moverse los 20
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elementos se deforma la figura, e de ahí el nombre de la estructura. Véase la Ilustración 12.
Ilustración 11 Paralelogramo Deformable
Algunas aplicaciones fundamentales, a parte de una estructura para un Hexápodo, son los Sistemas de suspensión de los carros. Ilustración 13.
Ilustración 12 suspensión de carros por el Paralelogramo Deformable
-
Actuación IN-SITU
Los motores se sitúan directamente en las articulaciones del robot, relacionando directamente directamente la posición de los los servomotores servomotores con la posición de la articulación. Véase Ilustración 14.
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Ilustración 13 Actuación IN-SITU
Independientemente del tipo de estructura que se elija, hay más conceptos fundamentales para lograr la locomoción de los robots hexápodos. Para la locomoción de movimiento de los Hexápodos se hace acorde a lo que se requiera, sin embargo, se debe tomar en cuenta algunos conceptos básicos, como se muestra en el diagrama siguiente.
Locomoción Libre
Movimiento creado por Fuzy Logic
Locomoción de Movimiento Locomoción fija
Forma más simple de movimiento
Locomoción Libre La investigación de la locomoción libre para los robots caminantes; es un desarrollo que aspira a realizar los desplazamientos necesarios por el robot cuando éste camina en diferentes superficies. Véase la Ilustración 15.
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Ilustración 14 Hexápodo en superficies NO planas
Para explicar el diseño de los algoritmos de locomoción libre, se propone una división en siete áreas de trabajo, las cuales son formadas por las intersecciones de las líneas que van entre cada una de las patas, tal como se muestra en el siguiente diagrama. C.G 2
1
A B
C 3
D
4
E
F G
6 5
Tabla de Análisis del área de trabajo del del Hexápodo
AREA
MOVILIDAD MOVILIDAD DE TRES PATAS PATAS
A
P(1,4,5) - P(1,5,6) - P(3,4,6) - P(3,5,6)
B
P(3,4,5) - P(3,4,6) - P(3,5,6) - P(4,5,6)
C
P(2,3,6) - P(4,5,6) - P(2,5,6) - P(3,4,6)
D
P(1,4,5) - P(2,3,6)
E
P(1,2,3) - P(1,4,5) - P(1,2,5) - P(1,3,4)
F
P(1,2,4) - P(1,4,3) - P(1,2,3) - P(2,3,4)
G
P(1,2,4) - P(1,2,6) - P(2,3,5) - P(2,3,4)
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La tabla anterior nos dice que mientras que el robot se encuentre en cualquier área de trabajo puede mover las articulaciones sobrantes al polígono de estabilidad. Sin embargo, la programación de control del Hexápodo se hace más compleja, ya que se u sa “Fuzzy Logic ” (Control Difuso), el cual consiste en tener ” (Control redes neuronales programadas para que el robot vaya aprendiendo conforme vaya trabajando.
Locomoción Fija Es la forma más sencilla para mover un robot de 6 patas, consiste en unos ciertos tipos de movimientos establecidos y repetitivos donde los parámetros y variables del sistema de locomoción son totalmente regulares y determinados previamente. Éstos siguen un patrón ya establecido; y ese patrón está basado en el Polígono de Estabilidad.
Polígono de Estabilidad.
Polígono de Estabilidad o Polígono de Apoyo Desde el punto de vista estático se requiere que en todo momento de la locomoción las patas soporten al cuerpo. La proyección del centro de gravedad del cuerpo dentro del polígono de apoyo que forman las patas apoyadas juegan un papel muy importante dentro de la estabilidad del robot. El número de patas mínimas mínimas consideradas que aseguran una buena estabilidad son tres; que al ser apoyados en la superficie generen un triángulo donde el robot está soportado. Sí se apoyan cuatro, cuatro, se genera un polígono polígono de cuatro lados y así sucesivamente. La condición indispensable que evita que que el robot se caiga es que la proyección del centro de gravedad (C.G.) debe estar dentro del área del polígono que se forma con las patas del robot, independientemente te del número de patas, a esto se le conoce como Margen de Seguridad o Estabilidad.
En el caso de los robots caminantes de seis patas los algoritmos de locomoción fija el polígono de estabilidad consiste en mantener en la superficie del terreno donde se desplaza el robot tres patas alternadas de tal forma que se pueda formar una especie de soporte en estas tres patas cada vez que el robot se desplace, el cual se demuestra en el siguiente diagrama. diagra ma. Véase Ilustración 16 y 17. 24 IPN-UPIIZ
2
1
3 4
C.G
6 5
Ilustración 15 Diagrama del Polígono de Estabilidad para la Locomoción Fija (Avance de extremidades de la derecha).
2
1
3 4
C.G
6 5
Ilustración 16 Diagrama del Polígono de Estabilidad para la Locomoción Fija (Avance de extremidades de la izquierda).
Las Ilustraciones pasadas nos describen el movimiento del Hexápodo considerando el polígono de estabilidad con mínimo tres patas, se pudiera tener un polígono de estabilidad de cuatro lados dependiendo de las patas que estén apoyadas. Otro aspecto muy importante que debemos de tomar en cuenta sin importar que Locomoción de Movimiento se use ya sea Libre o Fija, es el Margen de Estabilidad o Margen de Seguridad. El margen de Estabilidad o seguridad se define como la mínima distancia que hay entre la proyección del centro de gravedad del cuerpo dentro de un margen de 25 IPN-UPIIZ
seguridad y la frontera que existe en cada uno de los lados del polígono de apoyo, generando instantáneamente dicho margen en base al estado actual de la configuración del robot. Tomando el diagrama de la Ilustración 17 pasada, se hace un ejemplo calculado de la distancia de seguridad. Tomamos la proyección del Polígono de seguridad como se muestra en la Ilustración 18.
2
1
3 4
C.G
6 5
Ilustración 17 Polígono de estabilidad proyectando su C.G y las mínimas distancias que orman.
S2
S1 S3 C.G
El margen de seguridad es un valor que permite asegurar que el centro de gravedad se encuentre dentro del polígono de apoyo, es decir, con el margen de seguridad se asegura la estabilidad del robot. Ahora tomando en cuenta la Ilustración 18 y analizando la proyección del C.G junto con c on el Polígono Po lígono de Apoyo, se requiere r equiere calcular c alcular la mínima distancia (S1, S2, S3, S4, S5 y S6) para tener el margen de estabilidad. Empezando por definir los puntos en donde se encuentran los elementos.
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.= , , , ; = , , 1 = (1, 1) 2 = (2, 2) ;
26
Debe de quedar claro que los puntos p untos están dados en un sistema de referencia r eferencia inercial, de tal forma que:
S=
− 2 + − 2 + − 2
Y utilizando la ecuación de una recta:
Por tanto:
+ + + = 0 = | + + + |⁄√ + +
Ya que el Hexápodo no tiene movimientos en el eje Z, se considera nuestro sistema en solo dos ejes (x, y). Por tanto la ecuación de S queda como: co mo:
y
:
= − 2 + − 2 − − 1 2 = 2 − 1 + − − 1 2 1 2 1 = 2[2 − 1 + 2 − 1]
c1 = [ − 12 − 1 + 1]2 − 1 + 2 − 1 2 = 2 − 12 − 1 27 IPN-UPIIZ
Para por fin llegar al teorema de máximos y mínimos, donde se calcula nuestra distancia mínima que va regir el margen de seguridad mínimo.
=min 1, 2, 3, 4, 5, 6
Bien, ahoya ya se tienen los diseños conceptuales, es más sencillos que las ideas para las soluciones al problema se generan más rápido. Es por eso que a partir de este punto se inició con las soluciones generales, y gracias a la lluvia de ideas se generaron 4 soluciones posibles. La cuales se enlistan a continuación.
Solución Planteada 1.Como parte del diseño conceptual de extremidades con tres grados de libertad se generó la idea de usar la estructura del Paralelogramo Deformable. La cual consiste rápidamente en dos elementos paralelos que forman una figura que al moverse se deforma la misma. Véase Ilustración 19.
Ilustración 18 Paralelogramo Deformable
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Ilustración 19 Estructura de la extremidad de un Hexápodo usando Paralelogramo Deformable
Se puede observar que se presentan varías características que la hacen inadecuada, como por ejemplo al momento de querer tener una Locomoción Libre la extremidad tiene una restricción de movimiento. Por otro lado el control se vería dificultado por la necesidad de mapear las posiciones deseadas a las posiciones reales del servomotor.
Solución Planteada 2.Continuando con las extremidades de tres grados de libertad se tiene la Actuación IN-SITU, la cual nos asegura que el movimiento no se verá restringido por el mecanismo sino por los servomotores. En la Ilustración 21 se observa el diseño.
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Ilustración 20 Actuación IN-SITU con 3 GDL, una de la más usada para los robots Hex ápodos.
Como se muestra en la ilustración pasada, la actuación IN-SITU está dada en tres puntos (conforme a los grados de libertad de cada estructura), haciendo esto más eficaz a la hora de controlar el hexápodo. En la Ilustración 22 se muestra el diseño en un diagrama.
Ilustración 21 Diagrama usando la Actuación IN-SITU con tres grados de libertad
Es una solución propuesta muy eficaz, sin embargo, para nuestro proyecto no es tan apta, ya que si tiene tres grados de libertad se ocuparían 3 servomotores, los cuales multiplicados por las seis extremidades que conforman un Hexápodo tendríamos que ocupar 18 servomotores haciendo nuestro prototipo menos costeable. 30 IPN-UPIIZ
Solución Planteada 3.Conforme la solución 2, utilizando actuación IN-SITU, y teniendo en cuenta que se debe de economizar el prototipo se sugirió la solución al problema número 3. Está solución es muy parecida a la solución 2, empero, en lugar de utilizar tres grados de libertad solo se usarán dos. Véase la Ilustración 23.
Ilustración 22 Actuación IN-SITU en 2 GDL.
Consiste en que solo se utilizarán dos servomotores, para en total sumar 12, y así seguir manteniendo el prototipo como costeable. Sin embargo, la pata de la extremidad siempre se va mantener fija, es decir, sin poder tener movimiento. Véase Ilustración 24.
Ilustración 23 Actuación IN-SITU con 2 GDL
31 IPN-UPIIZ
Solución Planteada 4.Siguiendo con el análisis de la solución a 2 GDL, se pretendía que el segmento 2 (Antebrazo) de la Ilustración 24, tuviera un poco de movimiento, lo cual puede ser complicado sin la utilización de un servomotor, es por eso que la idea está basada en que se debe de usar un amortiguador (resorte) para que el segmento 2 no sea un elemento completamente rígido sino que tenga un poco de flexibilidad entre sus puntos. Para entender mejor v ea la Ilutación 25.
Ilustración 24 Actuación IN-SITU con 2 GDL y elemento de amortiguamiento (Rojo)
En la ilustración 25 se muestra el diagrama de la extremidad con un rectángulo entre el segmento 2 y la articulación 1, el cual representa un amortiguador.
32 IPN-UPIIZ
r u e b a s
n s a m b l a j e t o t a l
o n t r o l d e l r o b o t
r o g r a m a c i o n p a r a e l
p r e s i ó n d e c i r c u i t o s
e P o t e n c i a
n a l i s i s d e C i r c u i t o s
e S e ñ a l p a r a S e n s o r e s
c o n d i c i o n a m i e n t o
n s a m b l a j e d e P i e z a s
a q u i n a d o d e P i e z a s
e a l i z a c i o n d e D i s e ñ o z
C T I V I D A D \ T I E M P O
o m p r a d e M a t e r i a l
0 5 a l 0 9
S e m a n a 1
1 2 a l 1 6
S e m a n a 2
1 9 a l 2 3
S e m a n a 3
2 6 a l 3 0
S e m a n a 4
0 2 a l 0 6
S e m a n a 1
0 9 a l 1 3
S e m a n a 2
1 6 a l 2 0
S e m a n a 3
2 3 a l 2 7
S e m a n a 4
0 7 a l 1 1
S e m a n a 5
o c t 1 5
s e p 1 5
d i c 1 5
Ilustración 25 Cronograma de actividades para el Hexápodo
33 IPN-UPIIZ
Selección de una solución adecuada En este punto de la metodología del diseño vamos a considerar varios puntos a tratar para la mejora de las soluciones posibles, es decir, en base a tablas de pertenencias y de selección encontraremos la solución que necesitamos. El rendimiento del robot estará determinado por el uso que se le dé al mismo, pero en general será un autómata que sus funciones estarán en excelentes condiciones iniciales, tanto en su programación como en su circuitería. La fiabilidad como en todo sistema mecánico-electrónico el riesgo de algún tipo de falla es posible, empero, con el trabajo y la investigación se espera reducir este tipo de fallas a probabilidades mínimas, en caso de aun así encontrarse algún tipo de falla, el manual será claro para resolverlas. La seguridad en el robot, el hexápodo robótico contara con medidas de seguridad para el operario, para evitar accidentes tanto en la persona como en el proceso que se va a realizar, como medida principal contaremos con un botón de paro de emergencia, para que en caso de que surja cualquier anomalía durante el proceso, este pueda ser desactivado de manera instantánea. En cuanto a la mantenibilidad se refiere, va a ser muy accesible para un técnico capacitado e inclusive para uno no tan capacitado, ya que en el manual se dirán todas las posibles fallas, cada uno de los componentes del robot, y los diagramas para posibles ajustes, mejoramiento, etc. Así producir un completo mantenimiento correctivo o preventivo. A nivel de escalabilidad, aun no estamos claros sobre los riesgos que hay de hacerle modificaciones para optimizar el desarrollo del producto, es decir que tan estable se comportara la programación del sistema a los cambios, así como si estos al modificarlos el funcionamiento merme la calidad del producto. En caso de un deterioro por tiempo de vida, es decir, por desgaste común del trabajo, podrá ser perfectamente desmontable para que así las piezas que aun funcionen de manera adecuada puedan ser reutilizadas, ya sea para otro prototipo o alguna otra utilidad de la cual la empresa pueda requerir. Este punto no estará en nuestra ponderación. La usabilidad será para procesos didácticos, ya que no va a contar con las dimensiones necesarias para trabajar en la industria, únicamente contara con funciones para exhibición con cosas pequeñas. Considerando estos puntos se construyó esta tabla de pertenencias. 34 IPN-UPIIZ
LISTA DE OBJETIVOS (A)Dimensiones (A)Dimensiones
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
X
0
1
0
0
0
0
1
0
0
2
0.04
(B)Didáctico (B)Didáctico
1
X
0
1
1
0
0
1
1
0
5
0.1
(C)Materiales (C)Materiales sólidos y duros
0
1
X
0
0
0
0
1
0
0
2
0.04
(D)Reconfigurable
1
0
1
X
0
0
0
0
1
0
3
0.06
(E)Demostrativo
1
0
1
1
X
0
0
1
1
0
5
0.1
(F)Seguro contra
1
1
1
1
1
X
1
1
1
1
9
0.2
riesgos (G)Económico
1
1
1
1
1
0
X
1
1
1
8
0.17
(H)Movible
0
0
0
1
0
0
0
X
1
0
2
0.04
(I)Robot
1
0
1
0
0
0
0
0
X
0
2
0.04
Inteligente (J)Eficiente
1
1
1
1
1
0
0
1
1
X
7
0.15
45
1
Total
LISTA DE OBJETIVOS (A)Dimensiones (A)Dimensiones (B)Didáctico (B)Didáctico (C)Materiales (C)Materiales sólidos y duros
Total Pertenencia
DC 1
DC 2
DC 3
DC 4
0.0486 0.0585 0.0810
0.060 0.0450 0.0750
0.03 0.08 0.097
0.93 0.750 0.75
(D)Reconfigurable
0.0913
0.060
0.09
0.90
(E)Demostrativo
0.0648
0.060
0.13
0.90
(F)Seguro contra
0.078
0.0450
0.08
0.75
0.001
0.045
0.12
0.75
0.001
0.0450
0.001
0.90
riesgos (G)Económico (H)Movible (I)Robot Inteligente (J)Eficiente
0.091
0.045
0.018
0.95
0.02604
0.0450
0.1
0.90
Total
0.559
0.6014
0.804
0.908
35 IPN-UPIIZ
Observando las Tablas anteriores se concluye que la opción más útil para nuestras métricas es la numero 4.
Diseño Detallado (CAD, CAM, CAE) Una vez habiendo completado el paso 5 de la metodología del diseño mecatrónico procederemos a realizar un dibujo y bocetos detallados de nuestro prototipo el cual corresponde a nuestro siguiente paso. Se debe tomar en cuenta que primero es un diseño en CAD, para poder pasar después hacer los diseños CAM. Comenzaremos por definir qué significa cada uno de estos términos. Véase Ilustración 27.
Ilustración 26 Diagrama de definiciones.
Ya teniendo bien definido que es lo que vamos a trabajar y con cual herramienta se trabajará comenzaremos con el desarrollo de sarrollo del prototipo.
En este caso utilizaremos una herramienta de diseño compuitacional muy importante la cual es Solid Works; es un software CAD (diseño asistido por 36 IPN-UPIIZ
computadora) para computadora) para modelado mecánico en 3D, desarrollado en la actualidad por SolidWorks Corp., una filial de Dassault de Dassault Systèmes, S.A. (Suresnes, Francia) (Suresnes, Francia),, para el sistema operativo Microsoft Windows. Windows. Su primera versión fue lanzada al mercado en 1995 con el propósito de hacer la tecnología CAD más accesible. A partir del diseño conceptual conce ptual elegido trabajaremos en el diseño detallado, y para esto tendremos que empezar con pieza por pieza. Solo se describirá una parte de todas las piezas a diseñar.
En el entendido de de poder darnos una idea tomando en cuenta la teoría que se vio anteriormente se hace la base del hexápodo primero.
1. Base Como se había mencionado, la base de un hexápodo puede variar de muchas formas dependiendo del diseñador y de la estética que se le desea dar al prototipo, sin embargo, siempre nos debemos acotar a dos diseños fundamentales que son el bilateral y el radial. En nuestro diseño se pensó que tuviera el mejor movimiento posible, para esto el que tiene más facilidad de movimiento es la configuración radial, empero, esta nos hace nuestra base muy ancha de los lados, es por eso que optamos por hacer una combinación de ambas configuraciones tomando 4 patas extremas como radiales una de otra y las de en medio hacerlas un poco más chicas para que se vuelva delgada la estructura. En la Ilustración 28 se muestra el círculo que forman las 4 patas y las otras forman un radio menos entre ambas. Cabe mencionar que dentro de la base irán 6 servomotores.
37 IPN-UPIIZ
Ilustración 27 Circulo de radio 6cm de distancia entre centro y motor.
Formando así la combinación para nuestra base.
38 IPN-UPIIZ
Ilustración 28 Base final para hexápodo.
2. Eslabones portadores de Servomotores Para esto es necesario como en la base haber obtenido las medidas correctas de los servomotores que vamos a trabajar. En un principio el desarrollo del diseño conto un poco de trabajo para dar el movimiento y ensamblaje que se requiere, entonces se recurrió a lo más sencillo, una pata de cualquier animal, la cual se co nforma por un “hombro”, “codo” y palma de la “mano”. En este caso este es como el hombro del prototipo.
(Ilustración 30). En esta pieza se debía contemplar que para evitar un servomotor de más se pondrá un elemento resistivo y así convertir en un sistema sub-actuado.
39 IPN-UPIIZ
Ilustración 29 Eslabón Hombro portador de un grado de libertad.
3. Eslabón de apoyo (Pata) De igual manera, considerando el elemento resistivo se diseñó esta pieza, dándole una inclinación de 169° de inclinación para que al momento de que apoye la pata no deba estar chueca o apoyando solo una parte. Observe en la Ilustración siguiente que para unir la “pata” y el “hombro” es necesario
tener otro eslabón más entre los dos.
Ilustración 30 Pata del Hex ápodo.
40 IPN-UPIIZ
4. Eslabón Intermedio para la sujeción sujeción de la pata y el hombro Debemos hacer un eslabón para que estos dos elementos estén unidos y también para poder colocar el elemento amortiguador. La solución estuvo en colocar un eslabón con movimiento que solo lo detenga el elemento amortiguador.
5. Extremidad Ensamblada Entre las piezas desarrolladas anteriormente se puede armar ya la extremidad completa del Hexápodo Robótico la cual es el diseño final de nuestro prototipo y tomando en cuenta el servomotor y el elemento amortiguador.
Ilustración 31 Extremidad completa
41 IPN-UPIIZ
Teniendo ya hecha la extremidad y teniendo la base lista podemos hacer el ensamble competo del hexápodo robótico ya considerando nuestros 12 servomotores, el sensor ultrasónico y nuestra tarjeta de programación LaunchPad de Texas Instruments.
6. Sujetadores de los Servomotores Para le transmisor de movimiento de los servomotores se van a utilizar los sujetadores que son los que nos van a transmitir el movimiento utilizando la configuración IN-SITU para nuestro 2 grados de libertad por extremidad formando 12 grados de libertad en todo tod o nuestro prototipo.
Ilustración 32 Sujetado de un Servomotor.
7. Ensamble Completo del Hexápodo Robótico Ya teniendo una extremidad acabada se pasa a realizar el ensamblaje completo tomando 12 veces el mismo diseño de la extremidad y utilizando todos los demás elementos que lo conforman.
42 IPN-UPIIZ
Ilustración 33 Con una área de trabajo real de 32 x 29 cm y una altura aproximada de 13 cm.
43 IPN-UPIIZ
Ilustración 34 Hexápodo Robótico
Para el desarrollo con herramientas CAM es necesario definir primero códigos de programación para una Fresadora CNC Hass. Véase Ilustración 36.
Ilustración 35 Fresadora CNC Hass
Características de la máquina
44 IPN-UPIIZ
- Fresadora
Toolroom; 30" x 12" x16" (762 x 305 x 406 mm), cono ISO 40, accionamiento vectorial de 7,5 hp (5,6 kW), 4.000 rpm, carenado completo, Sistema de Programación Intuitivo, bomba de refrigeración, memoria de programación de 1 MB, llave para bloquear la memoria, monitor LCD de color de 15" y puerto USB.
Los componentes que conforman la maquina son los siguientes enumerados para la Ilustración 37. 1. Cambiador de herramientas de montaje lateral (Intercambiable) 2. Puerta automática con servo (Intercambiable) 3. Conjunto del husillo (Intercambiable) 4. Caja de control eléctrico 5. Luz de trabajo (Intercambiable)6. Controles de ventana 7. Bandeja de almacenamiento 8. Pistola de aire comprimido 9. Mesa de trabajo delantera 10. Contenedor de virutas 11. Tornillo de banco para sostener herramienta 12. Extractor de virutas (Intercambiable) 13. Bandeja de herramientas 14. Luces de alta intensidad (2X) (Intercambiable)
45 IPN-UPIIZ
Ilustración 36 Elementos de un CNC Hass (Fresadora)
Siguiendo con la solución adecuada se continúa a hacer el diseño CAM para ciertas piezas del Hexápodo, y hacerlas en Aluminio con ayuda del CNC Fresadora. Para esto se debe tener conocimientos de la programación en código G que se trabaja con esta máquina. Para continuar solo se describirá una pieza como ejemplo las otras piezas solo se resaltaran sus diseños CAM.
1. Eslabón “Hombro” Para esta pieza y para todas las demás nos debemos basar en los planos hechos para las figuras, para esta pieza observe la Ilustración 38; y se debe comenzar por puntear la pieza para poder programarla para hacerla en el CNC.
46 IPN-UPIIZ
Ilustración 37 Dibujo técnico para el eslabón "Hombro".
Ya basándonos en el plano podemos saber con exactitud las medidas de los puntos de la figura, comenzamos con configurar la máquina para hacer maquinar nuestra pieza en el CNC.
Seleccionamos una herramienta cortadora de 3/16 y nosotros le damos el offset de la herramienta en la pieza. Cabe mencionar que un CNC Fresadora tiene el mismo principio que una Fresadora Convencional solo que un CNC nos hace cortes más complicados como por ejemplo esta pieza pie za y las demás.
47 IPN-UPIIZ
Después comenzamos a poner los puntos calculados y comience a cortar con profundidades de 30 milésimas de pulgada.
Se puede observar que tiene que cortar por completo la pieza, entonces si las profundidades de corte son de 30 milésimas de pulgada tendrían que ser 9 pasadas para poder cortar una placa de aluminio de ¼ de pulgada de grosor. Por otro lado es mejor hacer un código completo para que nos pueda fabricar las 6 piezas que ocupamos para nuestro prototipo.
Entonces a partir del final de la primera pieza solo se debe poner las distancias de los puntos donde queremos que la herramienta he rramienta las corte. Siguiendo el mismo método hacemos así las 6 piezas y al final del código se d ebe poner lo siguiente: 48 IPN-UPIIZ
Para por ultimo poder obtener nuestro diseño CAM del eslabón “Hombro” el cual se puede observar en 2D 2 D en la Ilustración 39 y en 3D en la Ilustración 40.
Ilustración 38 Diseño detallado en CAM en 2D.
Ilustración 39 Diseño CAM en 3D. Fuente CIMCO Edit
49 IPN-UPIIZ
2.
Base
Para esta pieza se utiliza la misma teoría de programación G; en esta pieza comenzamos por hacer las aberturas de los servomotores y después ya se hizo el corte de los contornos. El plano se muestra en la Ilustración 41.
Ilustración 40 Plano de la Base
Posteriormente se describió el código y se realizó la pieza en CAM. Véase Ilustración 42.
Ilustración 41 Diseño detallado de la Base en 2D
50 IPN-UPIIZ
La misma pieza pero ahora en 3D utilizando el mismo software.
Ilustración 42 Diseño CAM en 3D
3. Eslabón Intermedio De igual manera que la primeras piezas, este eslabón se diseñó en una laca de ½ pulgada donde cupieran las 6 piezas que se utilizan.
51 IPN-UPIIZ
Ilustración 43 Diseño detallado CAM en 3D y 2D respectivamente.
4. Eslabones de apoyo “Patas” Como se hizo anteriormente se hicieron las 6 piezas en una sola placa de ½ de pulgada haciendo 16 pasadas de 30 milésimas de pulgada para la profundidad.
Ilustración 44 Plano de la pieza "Pata".
52 IPN-UPIIZ
Ilustración 45 Diseño detallado en CAM de la "Pata"
Ilustración 46 Diseño en 3D de la Pata en CAM
53 IPN-UPIIZ
Documentación Antes de comenzar a construir el prototipo es necesario documentar aspectos importantes del Hexápodo Robótico; como la programación y sus componentes electrónicos el cual va contener. Comenzando con los actuadores, tenemos que, fueron escogidos para mover las articulaciones del Hexápodo servos de radiocontrol. Éstos son muy apropiados por lo siguiente: -
-
Al contrario que los motores paso a paso, paso, los servomecanismos son reguladores que fuerzan una posición. Así, si se les desvía de ella, tienden siempre a volver, minimizando el error. El control lo hacen típicamente proporcional, absorbiendo más corriente de la fuente de alimentación cuanta más distancia los separa de la posición deseada. La relación fuerza ejercida/consumo es relativamente alta. Los hay de diversos tamaños y pesos. Las órdenes que reciben siguen un formato formato PWM estándar, fácilmente generable. Son de relativamente bajo coste. Permiten la lectura de la posición a través de sus potenciómetros. potenciómetros. Aunque esto no se ha implantado en el prototipo, es una dirección importante de mejora del mismo.
Ilustración 47 Diagrama de un Servomotor
54 IPN-UPIIZ
Para el control del Hexapodo tendremos que usar un Microcontrolador de Texas Instruments, llamado LaunchPad MSP430Gxx.
En este capítulo se describe el aspecto electrónico del control del robot. Se diseñaron varios prototipos de circuitos capaces de generar y mantener las ondas que los servos aceptan como señales de posicionamiento. Estas ondas, llamadas PWM, codifican un dato numérico que indica al servo la posición absoluta a la que debe desplazarse y en la que debe permanecer mientras la onda no cambie. Este micro incluye toda la lógica de selección de servos y generación de ondas PWM. También se detallan en este capítulo los problemas encontrados con la alimentación de servos y controladora, y cómo se solucionaron. Por último se presenta un estudio con en el que se enumeran las características de dos tarjetas de entrada/salida con las que se hicieron pruebas de envío y recepción de órdenes entre el ordenador y la controladora.
55 IPN-UPIIZ
Ilustración 48 Diagrama de Bloques del Microcontrolador
Uno de los temas importantes a la hora de desarrollar proyectos en el área de la robótica no solo es el hardware y software sino el estudio del movimiento, en especial si se está trabajando en robótica móvil. Por medio de la cinemática del robot se puede estudiar y analizar el movimiento del mismo con respecto a un eje de referencia, en especial describir las relaciones entre posición y orientación que hay entre los actuadores y la del d el efector final. Existen dos ramas fundamentales para analizar y resolver el movimiento del robot y es la cinemática directa y la indirecta. -
-
Problema cinemática directo: Determinar la posición y orientación del extremo del robot, con respecto a un sistema de coordenadas de referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot. Problema cinemática inverso: Determinar la configuración que que deben adoptar las articulaciones del robot para alcanzar una posición y orientación del extremo conocidas.
Se puede obtener la posición y orientación del extremo del robot apoyándose en las relaciones geométricas. Cada relación articulación - eslabón corresponde a un grado de libertad. Gracias a Matlab se obtiene la cine mática esperada. 56 IPN-UPIIZ
Ilustración 49 Cinemática con ayuda de MatLab
Para los circuitos impresos se tomó los diagramas con el programa Proteus, el cual se pasó el gerber para generar e imprimir los circuitos que se muestran a continuación.
57 IPN-UPIIZ
Construcción de Prototipo En esta etapa se comienza a construir el prototipo, y como es lógico es necesario comenzar en maquinar en CNC Fresador la estructura en Aluminio. Comenzando con la base y después con las extremidades. Tomamos los diagramas anteriores en código G para maquinarlos. Antes de que entre al CNC debe simularse perfectamente en los simuladores de los CNC, a continuación se puede mostrar como la Base del Hexápodo se simulo correctamente.
Ilustración 50 Base simulada en CNC
Para ahora si poder maquinarla y en la Ilustración 52 obsérvese como quedó y maquinada.
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Ilustración 51 Base ya maquinada en CNC Fresadora
Ahora continuamos con las extremidades, específicamente con el eslabon del Hombro, lo cual se hizo el mismo procedimiento, primero se simulo después se pudo maquinar en el CNC fresadora.
Ilustración 52 Hombros del Hexápodo simulado en CNC
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Ilustración 53 Eslabones del Hexápodo maquinado en CNC Fresadora
Continuando con las extremidades, ahora se simulo y maquino el eslabón que está entre los hombros y las patas.
Ilustración 54 Eslabones simulados en CNC
60 IPN-UPIIZ
Ilustración 55 Eslabones maquinados en CNC Fresadora
Y por último tenemos las patas:
Ilustración 56 Patas simuladas en CNC
61 IPN-UPIIZ
Ilustración 57 Patas maquinadas en CNC Fresadora
Ya teniendo la estructura maquinada en aluminio continuamos con los soportes y los eslabones sujetado res para maquinarlos con papel “estireno” que es un material resistente y muy moldeable. Véase la Ilustración siguiente.
Completando la estructura podemos ensamblar y sujetar los actuadores como se puede observar en la siguiente ilustración.
62 IPN-UPIIZ
Ilustración 58 Extremidad con Servomotores montados
Y por último se fabrica los circuitos impresos para el hexápodo y toda esta listo para tener el prototipo final. Véase Ilustraciones siguientes.
Ilustración 59 Circuitos. Diagramas en Proteus y ya im presos.
63 IPN-UPIIZ
Ilustración 60 Estructura terminada
64 IPN-UPIIZ
Pruebas
Ilustración 61 Hexápodo Final
CONCLUSIONES No se puede entender y comprender la tecnología con solo verla teóricamente, es necesario practicarla, aplicarla, encontrar los problemas y detalles que la conforman y lo importante de todo es saber resolverlos; es lo que se pretende con este prototipo para que los niños se acerquen a cerquen a la gran tecnología. Por otra parte con este proyecto, y como estudiante me eh llenado de más información para poder solventar, resolver y documentar un proyecto de esta magnitud. 65 IPN-UPIIZ
FUENTES DE CONSULTA [1] http://www.contigosalud.com/la-importancia-del-aprendizaje-en-edad-temprana [2] http://www.robodacta.mx/index.php?dispatch=products.view&product_id=553 [3] http://www.jecsa.com.mx/index.php/productos [4] http://www.robodacta.mx/index.php?dispatch=products.view&product_id=201 y http://www.robodacta.mx/index.php?dispatch=products.view&product_id=753 http://www.ti.com/ww/en/launchpad/launchpads-msp430-msp[5] exp430g2.html#tabs
[6] https://www.robodacta.mx/index.php?dispatch=products.view&product_id=1086
[7] http://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-513013649-robot-hexapodo-con-18servomotores-y-controladora-_JM [8] http://es.aliexpress.com/popular/hexapod-robot-kit.html [9] http://es.aliexpress.com/store/product/Robo-Soul-CR-6-Hexapod-Robtics-Sixlegged-18DOF-Spider-Robot-Kit-w-LD-2015-Digital/1391641_2022911690.html
66 IPN-UPIIZ
ANEXOS Justificación de Costos Descripción
Costo Estimado
Costo Real
Actuadores (Servomotores de 15 kg): Por unidad
Fuente de Financiamiento Apoyos Económicos por COZCyT
$320.00
$170.00
$3,840.00
$2,040.00
(Véase ilustración 62 donde se muestra la nota que respalda el costo)
Software de diseño
$0.00
$0.00
Escuela IPN
Aluminio
$1,000.00
$900.00
Apoyos Económicos por COZCyT
Total de 12 pz
(Véase ilustración 63 donde se muestra la nota que respalda el costo) Sensor Ultrasónico
$350.00
$95.00
Apoyos Económicos por COZCyT (Véase ilustración 64 donde se muestra la nota que respalda el costo)
Microcontrolador
12.98 dólares
12.98 dólares
LaunchPad
Equivalente en peso mexicano a:
Equivalente en peso mexicano a:
$225.852
$225.852
MSP-EXP432 Texas Instruments
Apoyos Económicos por COZCyT y recurso propio (Véase ilustración 65 donde se muestra la nota que respalda el costo)
http://noticias.starmedia.c om/economia/preciodolar-en-mexico-hoy-17diciembre-2015.html Consumibles de Maquinado*
$0.00
$0.00
Escuela IPN
67 IPN-UPIIZ
Batería
$450.00
$273.06
Apoyos Económicos por COZCyT (Véase ilustración 66 donde se muestra la nota que respalda el costo)
Reguladores de voltaje a 6 y 5 volts (electrónica): Por unidad Total de 12 pz Tornillería
Apoyos Económicos por COZCyT $20.00
$10.00
$240.00
$119.99
$100.00
$131.00
(Véase ilustración 67 donde se muestra la nota que respalda el costo) Apoyos Económicos por COZCyT (Véase ilustración 68 donde se muestra la nota que respalda el costo)
Cableado
$150.00
$70.00
Apoyos Económicos por COZCyT (Véase ilustración 69 donde se muestra la nota que respalda el costo)
Transporte de traslado a la Cd. De México para comprar el material necesario: Pasaje de Estudiante
Apoyos Económicos por COZCyT
$401.00
$401.00
Otros consumibles: Pegamento para Estireno
$100.00
$82.00
Estireno
$400.00
$199.00
Aros de plástico
$10.00
$8.90
Tira de pines
$10.00
$18.00
(Véase ilustración 70 donde se muestra la nota que respalda el costo) Apoyos Económicos por COZCyT (Véase ilustraciónes 71 y 72 donde se muestra la nota que respalda el costo)
Cutter para cortar 68 IPN-UPIIZ
estireno
$10.00
$25.00
$530.00
$332.90
$7, 286.852
$4, 588.802
Total
Costo Total
Apoyos Económicos por COZCyT
*Nota: En la Tabla anterior, se refiere a Consumibles de Maquinado al Refrigerante de maquinado, piezas de devaste, herramientas etc… las cuales si
sufren algún daño se tiene que pagar. En las ilustraciones de cada concepto se muestra la copia de cada comprobante de costo así como se anexa el original.
Ilustración 62 Comprobante del costo de los actuadores
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Ilustración 63 Comprobante de depósito para adquirir el materia aluminio
Ilustración 64 Comprobante del sensor ultrasónico con todo y sus puntas de montaje
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Ilustración 65 Comprobante del microcontrolador expedido por la empresa Texas Instrumetns (se anexa coipa completa)
Ilustración 66 Tiket de la compra de batería junto con su cargador
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Ilustración 67 Tiket de la compra de partes ele ctrónicas
Ilustración 68 Nota de la compra de tornillos para el ensamble del prototipo
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Ilustración 69 Cableado para la alimentación y señales e léctricas de todo el prototipo
Ilustración 70 Boleto pagado de transporte al DF para comprar los componentes neces arios y reducir costos, el pasaje es medio por presentar credencial de estudiante
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Ilustración 71 Otros comprobantes de pines para soldar y placa fenólica de cobre, así como también aros de plástico
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Ilustración 72 Comporbantes de pegamentos para el estireno
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