CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA MECATRÓNICA ASIGNATURA: ROBOTICA ASIGNATURA: ROBOTICA INDUSTRIAL NRC: 1483 NRC: 1483 DOCENTE: Ing. Alexander Ibarra INFORME DE PROYECTO INTEGRANTES: 1. Melanie Chiluisa 2. Alexander Cordova 3. Gustavo Córdova 4. Tania Criollo 5. Jonathan Dillon
01 de Junio 2016 - SANGOLQUI
USER
Contenido RESUMEN ........................................................................................................................................ 4 TEMA: .............................................................................................................................................. 5 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 5 Objetivo General: ................................................... ..................................................... ................ 5 Objetivos Específicos: ................................................................................................................. 5 ALCANCE ......................................................................................................................................... 5 MARCO TEORICO ............................................................................................................................ 5 Antecedentes .............................................................................................................................. 5 Definición de robótica .................................................. .................................................... ....... 6 Manipuladores robóticos ...................................................... .................................................. 6 Robot Esférico ............................................................................................................................. 8 Grados de libertad: ................................................................................................................. 8 Interpolación: ..................................................... ..................................................... ................ 8 Volumen de trabajo: ............................................................................................................... 9 Ventajas: ................................................................................................................................. 9 Desventajas: .............................................. ...................................................... ........................ 9 DESCRIPCION DE RECURSOS ................................................ .................................................... ....... 9 SOFTWARE .................................................................................................................................. 9 ROS .......................................................................................................................................... 9 UBUNTU 14.04 ...................................................................................................................... 10 PLATAFORMA DE ARDUINO ................................................. ................................................. 11 AUTOCAD .............................................................................................................................. 12
USER
Contenido RESUMEN ........................................................................................................................................ 4 TEMA: .............................................................................................................................................. 5 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 5 Objetivo General: ................................................... ..................................................... ................ 5 Objetivos Específicos: ................................................................................................................. 5 ALCANCE ......................................................................................................................................... 5 MARCO TEORICO ............................................................................................................................ 5 Antecedentes .............................................................................................................................. 5 Definición de robótica .................................................. .................................................... ....... 6 Manipuladores robóticos ...................................................... .................................................. 6 Robot Esférico ............................................................................................................................. 8 Grados de libertad: ................................................................................................................. 8 Interpolación: ..................................................... ..................................................... ................ 8 Volumen de trabajo: ............................................................................................................... 9 Ventajas: ................................................................................................................................. 9 Desventajas: .............................................. ...................................................... ........................ 9 DESCRIPCION DE RECURSOS ................................................ .................................................... ....... 9 SOFTWARE .................................................................................................................................. 9 ROS .......................................................................................................................................... 9 UBUNTU 14.04 ...................................................................................................................... 10 PLATAFORMA DE ARDUINO ................................................. ................................................. 11 AUTOCAD .............................................................................................................................. 12
USER
HARDWARE ............................................................................................................................... 13 LAPTOP HP 1000 ................................................................................................................... 13 SERVOMOTOR .................................................... ..................................................... .............. 14 MOTORES PASO A PASO ....................................................................................................... 15 DRIVERS POLOLU A4988 ....................................................................................................... 17 ARDUINO ................................................... ...................................................... ...................... 19 DISEÑO MECATRONICO ................................................................................................................ 20 DISEÑO MECANICO ................................................................................................................... 20 DISEÑO ELECTRONICO .............................................................................................................. 35 DISEÑO SISTEMA CONTROL .................................................................................................. 38 DESCRIPCION DE HMI ........................................................................................................... 41 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................................................... 41 Bibliografía .................................................................................................................................... 41
Tabla Figuras
Figura 1. Robot Unimate. Historia de la robótica industrial .................................................... ....... 6 Figura 2. Grados de libertad del robot esférico ...................................................... ........................ 8
USER
RESUMEN El proyecto desarrollado consiste en el diseño y construcción c onstrucción de un manipulador robótico de morfología esférica, el cual cuenta con 3 grados de libertad (rotacional, angular, primatico), es muy utilizado por sus rápidos ciclos de trabajo, excelente repetitividad, alta precisión y su amplio campo de aplicación. Estos manipuladores son una opción para tareas carga y descarga, alimentación de máquinas, soldadura, montajes y de esta manera mejorando el sector productivo. El control es realizado mediante el Sistema Operativo Robótico (ROS), para lo cual fue necesario emplear el sistema operativo Ubuntu. El proyecto se realizó con la importancia de ver la necesidad del estudiante para familiarizarse con el funcionamiento de los robots y verificar de forma práctica práctica los conocimientos teóricos adquiridos adquiridos en clases obteniendo como resultado resultado un equipo que permite visualizar y comprender el funcionamiento y la aplicación de teorías de robótica.
USER
TEMA:
OBJETIVOS Objetivo General: Diseñar e implementar un robot de morfología esférica de 3 grados de libertad para manipulación de objetos utilizando ROS.
Objetivos Específicos:
Diseñar y construir la estructura mecánica del robot.
Implementar la etapa de electrónica de potencia para el correcto funcionamiento de los actuadores del manipulador.
Programar el sistema de control del manipulador robótico utilizando la plataforma ROS.
ALCANCE El alcance técnico del proyecto consiste en diseñar, construir e implementar un manipulador robótico esférico de 3 grados de libertad el cual puede controlar cada uno de los movimientos correspondientes a sus grados de libertad (rotacional, angular, lineal) por medio de una botonera y por medio de una interfaz realizada en la plataforma ROS, en donde se realizada además la programación del sistema que permite controlar al manipulador robótico.
MARCO TEORICO Antecedentes A lo largo de la historia el hombre ha procurado construir artefactos con características cada vez mejores. Al hablar de la historia de la robótica se puede observar el desarrollo en la técnica tanto para el diseño como para la construcción de estos artefactos que buscan asemejarse al ser humano tanto en su forma como en las aplicaciones para las que son construidos. Todo esto con el objetivo de facilitar tareas repetitivas, peligrosas o difíciles para un ser humano. Desde el siglo I A.C. pueden hallarse máquinas autómatas como por ejemplo el
USER
órgano de viento, máquinas de vapor y neumáticas. Con el desarrollo constante de artefactos empleando cada vez mejores técnicas para el diseño, construcción y aplicación de los mismos. [1]. En 1921 el novelista Karel Kapev acuña el término “robot” en su obra titulada “Rossum’s
Universal Robots”. En 1961 la empresa Unimate instaló el primer robot industrial a partir de lo cual el desarrollo en esta ciencia y tecnología no se ha detenido hasta la actualidad. [1]
Figura 1. Robot Unimate. Historia de la robótica industrial Fuente: [The New York Times, 2011]
Definición de robótica
Robótica es la ciencia y tecnología de los robots. Se ocupa de su diseño, manufactura y aplicaciones. Entendiendo el término “robot” como un dispositivo multifuncional reprogramable
diseñado para manipular o transportar material a través de movimientos programados para la realización de tareas variadas. Su utilidad consiste en reproducir ciertas capacidades de los organismos vivos. [2] Manipuladores robóticos
La definición más comúnmente aceptada posiblemente sea la de la Asociación de Industrias de Robótica (RIA, Robotic Industry Association), según la cual: "Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas". [3]
USER
Se incluye en esta definición la necesidad de que el robot tenga varios grados de libertad. Una definición más completa es la establecida por la Asociación Francesa de Normalización (AFNOR), que define primero el manipulador y, basándose en dicha definición, el robot:
Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo lógico.
Robot: manipulador automático servo-controlado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectoria variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material. [4]
Los principales parámetros que caracterizan a los robots industriales son:
Número de grados de libertad: es el número total de grados de libertad de un robot, dado por la suma de g.d.l. de las articulaciones que lo componen. Aunque la mayoría de las aplicaciones industriales requieren 6 g.d.l., como las de soldadura, mecanizado y almacenamiento, otras más complejas requieren un número mayor, tal es el caso de las labores de montaje.
Espacio de accesibilidad o espacio (volumen) de trabajo: es el conjunto de puntos del espacio accesibles al punto terminal, que depende de la configuración geométrica del manipulador. Un punto del espacio se dice totalmente accesible si el PT puede situarse en él en todas las orientaciones que permita la constitución del manipulador y se dice parcialmente accesible si es accesible por el PT pero no en todas las orientaciones posibles. En la figura inferior se aprecia el volumen de trabajo de robots de distintas configuraciones.
Capacidad de posicionamiento del punto terminal : se concreta en tres magnitudes fundamentales: resolución espacial, precisión y repetibilidad, que miden el grado de exactitud en la realización de los movimientos de un manipulador al realizar una tarea
USER
programada.
Capacidad de carga: es el peso que puede transportar el elemento terminal del manipulador. Es una de las características que más se tienen en cuenta en la selección de un robot dependiendo de la tarea a la que se destine.
Velocidad: es la máxima velocidad que alcanzan el PT y las articulaciones.
Robot Esférico A este tipo de configuración según Groover (1990), también se le suele llamar configuración polar, utiliza un brazo telescópico que puede elevarse o bajar alrededor de un pivote horizontal. Este pivote está montado sobre una base giratoria. Estas diversas articulaciones proporcionan al robot la capacidad para desplazar si brazo dentro de un espacio esférico Dos juntas de rotación y una prismática permiten al robot apuntar en muchas direcciones, y extender la mano a un poco de distancia radial. [5] Grados de libertad:
Los movimientos son: rotacional, angular y lineal. Tiene rotación de cintura en la base, giro en torno a la vertical y extensión prismática (del brazo). [5]
Figura 2. Grados de libertad del robot esférico Fuente: [ITCH II, 2014]
Interpolación:
Utiliza la interpolación por articulación para moverse en sus dos primeras articulaciones, y la interpolación lineal para la extensión y retracción. [6]
USER
Volumen de trabajo:
Presentan un volumen de trabajo irregular Ventajas:
Tiene un alcance por encima de él. Desventajas:
Comparado con el robot de coordenadas cartesianas tiene una resolución relativamente baja que varía con el largo del brazo. Tabla 1. Esquema de las características principales del robot esférico
Configuración geométrica
Estructura cinemática
Espacio trabajo
de Ejemplo
DESCRIPCION DE RECURSOS SOFTWARE ROS
Es un entorno de trabajo que significa Robot Operating System. Provee los servicios estándar de un sistema operativo tales como abstracción del hardware, control de dispositivos de bajo nivel, paso de mensajes entre procesos e implementación de funcionalidad de uso común. ROS es software libre bajo términos de licencia BSD, que permite libertad para uso comercial e investigador. Proporciona toda una serie de servicios y librerías que simplifican considerablemente la creación de aplicaciones complejas para robots. Las áreas de aplicación de los paquetes del sistema operativo se basan en:
USER
Percepción.
Identificación de objetos.
Reconocimiento Facial.
Reconocimiento de gestos.
Seguimiento de objetos.
Comprensión de movimiento.
Agarre de objetos.
Percepción de profundidad mediante el uso de dos cámaras.
Robots móviles.
Control.
ROS permite el uso de distintos lenguajes de programación. De forma oficial soportan Python, C++ y Lisp además de muchas otras como java, Lua; también puede ser ejecutado sobre maquinas tipo Unix, principalmente Ubuntu y Mac OS X, existe soporte para otras plataformas como Fedora y Gentoo. El objetivo principal del ROS es apoyar el código reutilizable en la investigación robótica y el desarrollo. [7]
Figura 3-Logo de la empresa Robot Operating System Fuente: [Robotic,2012]
UBUNTU 14.04
Es un sistema operativo que contiene todas las aplicaciones que puedas necesitar, desde procesadores de texto y aplicaciones de email, hasta software para servidor web y herramientas de programación. Concentra su objetivo en la facilidad de uso, la libertad en la restricción de uso, los lanzamientos regulares y la facilidad en la instalación.
USER
La versión de Ubuntu emplea GNOME, una interfaz gráfica de usuario GUI y un conjunto de aplicaciones de escritorio para Linux. Esta versión renueva algunos iconos de aplicaciones, además de cambios en el diseño de las ventanas de apagado de sistema. También cambios en el diseño de Nautilus, el cual ahora se llama Archivos. Actualizaciones de nuevas características para Firefox, Shotwell, Rhythmbox y Actualización de software. [7]
Figura 4-Sistema Operativo Ubuntu 14.04 LTS Fuente: [S.O., 2014]
PLATAFORMA DE ARDUINO
Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-source) basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está pensado para artistas, diseñadores, como hobby y para cualquiera interesado en crear objetos o entornos interactivos. Arduino puede sentir el entorno mediante la recepción de entradas desde una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control de luces, motores y otros artefactos. [8] Arduino también simplifica el proceso de trabajo con microcontroladores, pero ofrece algunas ventajas para profesores, estudiantes y aficionados interesados sobre otros sistemas:
Barato: Las placas Arduino son relativamente baratas comparadas con otras plataformas microcontroladoras. La versión menos cara del módulo Arduino puede ser ensamblada a mano, e incluso los módulos de Arduino preensamblados cuestan menos de 50$.
Multiplataforma: El software de Arduino se ejecuta en sistemas operativos Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux. La mayoría de los sistemas microcontroladores están
USER
limitados a Windows.
Entorno de programación simple y claro: El entorno de programación de Arduino es fácil de usar para principiantes, pero sucientemente flexible para que usuarios avanzados puedan aprovecharlo también. Para profesores, está convenientemente basado en el entorno de programación Processing, de manera que estudiantes aprendiendo a programar en ese entorno estarán familiarizados con el aspecto y la imagen de Arduino.
Código abierto y software extensible: El software Arduino está publicado como herramientas de código abierto, disponible para extensión por programadores experimentados. El lenguaje puede ser expandido mediante librerias C++, y la gente que quiera entender los detalles técnicos pueden hacer el salto desde Arduino a la programación en lenguaje AVR C en el cual está basado. De forma similar, puedes añadir código AVR-C directamente en tus programas Arduino si quieres.
Figura 5-Software Arduino nuevo script Fuente: [Micro, 2013]
AUTOCAD
Es un software de diseño asistido por computadora utilizado para dibujo 2D y modelado 3D. Actualmente es desarrollado y comercializado por la empresa Autodesk.
USER
Es un software reconocido a nivel internacional por sus amplias capacidades de edición, que hacen posible el dibujo digital de planos de edificios o la recreación de imágenes en 3D; es uno de los programas más usados por arquitectos, ingenieros, diseñadores industriales y otros.Además de acceder a comandos desde la solicitud de comando y las interfaces de menús, AutoCAD proporciona interfaces de programación de aplicaciones (API) que se pueden utilizar para determinar los dibujos y las bases de datos. [8]
Figura 6-Pieza elaborada en el software Autocad. Fuente: [Autodesk, 2015]
HARDWARE LAPTOP HP 1000
Características del computador personal:
HP1000 Intel Core i5
Memoria Ram 4 Gb
Disco duro de 750Gb
Pantalla Led de 14 pulgadas.
USER
Figura 7-Computadora HP1000 con los programas instalados Fuente: [Compumatic, 2014]
SERVOMOTOR
Un servomotor (o servo) es un tipo especial de motor con características especiales de control de posición. Al hablar de un servomotor se hace referencia a un sistema compuesto por componentes electromecánicos y electrónicos. [8]
Figura 8-Partes del servomotor Fuente: [Maquinaria, 2012]
El motor en el interior de un servomotor es un motor DC común y corriente. El eje del motor se acopla a una caja de engranajes similar a una transmisión. Esto se hace para potenciar el torque del motor y permitir mantener una posición fija cuando se requiera. De forma similar a un automóvil, a menor mayor velocidad, menor torque. El circuito electrónico es el encargado de manejar el movimiento y la posición del motor.
USER
Figura 9-Partes del servomotor 2 Fuente: [Maquinaria,2012]
La presencia del sistema de engranajes como el que se muestra en la figura hace que cuando movemos el eje motor se sienta una inercia muy superior a la de un motor común y corriente. Observando las imágenes que hemos presentado nos podemos dar cuenta que un servo no es un motor como tal, sino un conjunto de partes (incluyendo un motor) que forman un sistema. [8] MOTORES PASO A PASO
El motor paso a paso se caracteriza principalmente por permitirlos mover un paso a la vez por pulso aplicado. Según las características del motor varía el ángulo de paso, pero generalmente se encuentran de 1.8 o 4 pasos. [7] Estos motores pueden ser de reluctancia variable, de imán permanente y los híbridos. En los motores tipo imán permanente, su rotor es un imán que posee una ranura en toda su longitud y el estator está formado por una serie de bobinas enrolladas alrededor de un núcleo o polo. [8] Este tipo de motores pueden ser de dos tipos:
Unipolares.
Bipolares.
USER
Figura 10-Motor paso a paso unipolar de 5 cables. Fuente: [Maquinaria,2012]
Figura 11-Motor paso a paso unipolar de 6 cables. Fuente: [Maquinaria, 2012]
Estos motores puedes ser de 5 o 6 cables de salida tal como se muestra en las Figuras 3 y 4. Para este tipo de motores, se puede emplear 3 secuencias:
Secuencia normal: esta forma de polarización es la recomendada por el fabricante, gracias a la activación de 2 bobinas el motor avanza un paso, permitiendo la obtención de un alto torque de paso y retención.
Secuencia del tipo “Wave drive”: A diferencia de la anterior secuencia, en esta se activa
una sola bobina a la vez, provocando un funcionamiento más suave, siendo el torque de paso y retención más suave.
USER
Secuencia por medio paso: Esto provoca que la activación de las bobinas brinde un movimiento igual a la mitad del paso real, activando primero 2 bobinas y luego solo 1, y así sucesivamente.
Para poder controlar un motor paso a paso, hay que conocer que existen tres modos de excitación:
Paso completo.
Medio paso.
Microstepping.
El motor se mueve a través de su ángulo de paso básico, esto quiere decir, un motor de 1,8° paso toma 200 pasos por revolución del motor. Hay dos tipos de modos de paso de excitación completos. En el modo de una sola fase, también conocido como "de una sola fase en, paso completo" de excitación, el motor es ope rado con una sola fase (grupo de devanados) energizado a la vez. [8] De esta manera, se puede controlar por cualquiera de los modos de excitación. DRIVERS POLOLU A4988
Este producto incorpora el chip de Allegro A4988 de en una placa de fácil conexión y utilización. Es usado como controlador de motores paso a paso de hasta 2 A de corriente por bobina (ver consideraciones de disipación de calor en el datasheet).
Cinco resoluciones diferentes: paso completo, medio paso, un cuarto de paso, un octavo de paso, y un dieciseisavo de paso.
Control de corriente ajustable que permite ajustar la salida de corriente máxima con un potenciómetro, que le permite utilizar tensiones superiores a la tensión nominal del motor paso a paso para lograr mayores tasas de paso.
Protección por sobrecalentamiento térmico, cierre por baja tensión, y protección por sobrepico de corriente.
USER
Figura 12-Driver Pololu A4988 Fuente: [Drivers, 2013]
El controlador requiere una tensión de alimentación lógica (3-5,5 V) que se conecta a través de los pines VDD y GND y una tensión de alimentación del motor (8-35 V) para ser conectada a través de VMOT y GND. Estos suministros deben tener condensadores de desacoplamiento adecuados cerca a la placa, y que deben ser capaces de entregar las corrientes esperadas (picos de hasta 4 A para el suministro del motor).
Los motores paso a paso normalmente tienen una especificación de tamaño de paso (por ejemplo, 1, 8º o 200 pasos por revolución). Un controlador de microstepping tal como el A4988 permite resoluciones más altas, permitiendo ubicaciones en paso intermedio, que se consiguen por la activación de las bobinas con los niveles de corriente intermedios. Por ejemplo, controlando un motor paso a paso de 200 pasos por revolución en el modo de paso por cuartos (quarter-step) dará 800 micropasos por revolución mediante el uso de cuatro niveles de corriente diferentes. La resolución (tamaño de paso) puede ser seleccionada mediante los pines MS1, MS2, MS3 que permiten cinco resoluciones diferentes de paso de acuerdo con la tabla de abajo. MS1 y MS3 tienen una resistencia pull- down interna de 100 kΩ y MS2 tiene una resistencia pull-down interna 50kΩ, así que dejar estos tres pines al aire resultará en el modo de paso completo (full-
step mode). Para que los modos de micropasos funcionen correctamente, el límite de corriente
USER
debe ser lo suficientemente bajo (véase más adelante). De lo contrario, los niveles intermedios no se mantienen correctamente, y el motor se saltará micropasos. ARDUINO
El hardware Arduino más sencillo consiste en una placa con un microcontrolador y una serie de puertos de entrada y salida. Los microcontroladores AVR más usados son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, y Atmega8 por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños, aunque también nos encontramos microcontroladores CortexM3 de ARM de 32 bits,5 que coexistirán con las más limitadas, pero también económicas AVR de 8 bits. La diferencia entre los distintos Arduino la encontraremos por un lado en la tensión utilizada en las placas. Generalmente las microcontroladoras con CortexM3 tienen un voltaje de 3,3 voltios, mientras que la mayor parte de las placas con AVR utilizan una tensión de 5 voltios. Esto luego es fundamental para utilizar lógica TTL (frente a lógica CMOS) por ejemplo, lo que abre la posibilidad de utilizar chips baratos y complementar el Arduino con alguna funcionalidad externa. Arduino se puede utilizar para desarrollar elementos autónomos, o bien conectarse a otros dispositivos o interactuar con otros programas, para interactuar tanto con el hardware como con el software. Nos sirve tanto para controlar un elemento, pongamos por ejemplo un motor que nos suba o baje una persiana basada en la luz que haya y gracias a un sensor conectado al Arduino, o bien para transformar la información de una fuente, como puede ser un teclado, y convertir la información a algo que entienda por ejemplo un ordenador.
Figura 13-Arduino UNO hardware. Fuente: [Arduino,2015]
USER
DISEÑO MECATRONICO DISEÑO MECANICO DESARROLLO DE CONCEPTOS (DISEÑO MECÁNICO) El presente diseño cuenta con las características de un robot polar o de revolución capaz de posicionarse en 3 GDL representada en la siguiente caja negra
Rotacional Posicionamiento
Angular Prismático
Subfunciones de la caja negra.
Rotacional
Angular
Tipo de actuador
Inicio de transmisión
Sistema de transmisión
Posicionamiento Tipo de actuador
Inicio de transmisión
Sistema de transmisión
Tipo de actuador
Inicio de transmisión
Sistema de transmisión
Prismático
Las subfunciones quedan definidas de la siguiente forma debido a que se restringe el diseño a usar 2 motores a pasos unipolares y un servomotor como actuadores del robot, debido a ello de realiza el análisis del las posibles combinaciones.
USER
ÁRBOL DE CLASIFICACIÓN DE CONCEPTOS Se usa 3 árboles de clasificación para el diseño debido a que se puede usar los mismos para los 3 tipos de grado de libertad Subfunción Tipo de actuador Simple efecto Pistones Neumáticos
Doble efecto Motores Simple efecto
Hidráulicos
Pistones
Tipo de actuador
Doble efecto Bipolar Motor a pasos Unipolar Elécticos
ServoMotor Pistones
Análisis de subfunción tipo de actuador
Tabla 2 Cuadro comparativo de las ventajas y desventajas de cada tipo de actuador
USER
Se descarta los tipos de actuadores Neumáticos e Hidráulicos debido a que se restringió en el inicio de la propuesta del diseño, para lo cual se propuso usar de forma académica actuadores eléctricos. Dentro de los actuadores eléctricos se tuvo una segunda restricción, la cual fue usar 2 motores unipolares y un servomotor. Subfunción Inicio de transmisión
Base Centro de gravedad
Inicio de transmisión
Articulaciones Sobre el centro de gravedad
Análisis de subfunción conversión energía a forma de transmisión de señal Base: Es la mejor opción debido a que no se tiene que compensar el propio peso de los actuadores en las partes móvil del diseño, siendo estas el contra peso para el mecanismo, manteniéndolo fijo en la base. Centro de gravedad: Debido a los movimientos propios del robot produce y genera esfuerzos innecesarios dentro del mecanismo provocando así una descompensación en la estabilidad del mismo. Articulaciones: Es una gran ventaja dependiendo de la aplicación y tipo de actuador, es recomendable entender que se pretende encontrar si es precisión, torque, etc. Debido a ello se puede usar directamente los actuadores en las articulaciones sin hacer reducciones de transmisión o aumento de torque.
USER
Sobre el centro de gravedad: Es una opción poco recomendable debido a los sobre esfuerzos que ya causan el propio peso y vibración de los mismos, creando así un el análisis de una carga sobre la línea de acción, pero usados generalmente cuando es difícil la transmisión de los mismos desde la base.
Sub-función Sistema de transmisión Engrane
Correa dentada
CIrcular-circular
Cadena
Paralelogramo
Cable Sistema de transmición
Tornillo sin fin Circular-Lineal Cremallera
Enlace ríguido Lineal-Circular Cremallera
Análisis de subfunción detector de activación.
USER
Tabla 3 Tabla de ventajas e inconvenientes de sistemas de transmisión
Dentro de los sistemas necesarios para el diseño del robot polar son revolución, angular y prismático para los cuales todos parten de movimientos circulares de los actuadores se determina el uso de sistemas de transmisión circular- circular para los movimientos de rotación y posición angular, mientras que para el prismático se selecciona el sistema circular-lineal teniendo en cuenta que este sistema se puede combinar con transmisión de cadena o banda dentada si su inicio de transmisión no es directamente en la articulación, se descarta en este t ipo el tipo de cadena por su peso ya que se requiere un menor peso sobre el centro de gravedad inicial del robot Se descarta los tipos de sistema lineal-circular por motivos de restricción de actuadores.
USER
Tabla de combinación de conceptos Concepto 1 Subconcepto Rotacional 1 Tipo de actuador
Inicio de transmisión
Sistema de transmisión
Motor Monopolar
Base
Engrane
ServoMotor
Centro de gravedad
Correa dentada
Articulación
Cadena
Sobre el centro de
Paralelogramo
gravedad
Cable
Tabla 4 Subconcepto 1
Análisis del subconcepto Para este tipo de subconcepto únicamente se utiliza este tipo de combinación ya que el movimiento inicia en la base donde también se ubica la articulación, por este motivo se utiliza el actuador de tipo monopolar debido a que no se requiere restricción de movimiento, en cuanto al sistema de transmisión el mejor es el tipo engrane debido a que no se requiere distancias grandes.
Subconcepto Angular 1 Tipo de actuador
Inicio de transmisión
Sistema de transmisión
Motor Monopolar
Base
Engrane
ServoMotor
Centro de gravedad
Correa dentada
Articulación
Cadena
Sobre el centro de
Paralelogramo
gravedad
Cable
Tabla 5 Subconcepto 2
USER
Análisis del subconcepto Se parte de un servomotor el cual presenta gran torque y precisión, con repetitividad el cual se conectara directamente a la articulación mediante el sistema de transmisión de engrane el cual se ubica sobre el centro de gravedad teniendo el inconveniente del peso innecesario sobre el mismo. Para este movimiento se puede usar un servomotor debido a que su movimiento angular puede ser restringido.
Subconcepto Prismático 1 Tipo de actuador
Inicio de transmisión
Sistema de transmisión
Motor Monopolar
Base
Tornillo sin fin
ServoMotor
Centro de gravedad
Cremallera
Articulación
Correa dentada-Cremallera
Sobre el centro de
Cadena-Cremallera
gravedad Tabla 6 Subconcepto 3
Análisis del subconcepto Para el tipo prismático se parte de un motor monopolar ubicado en la base que resulta ser la mejor posición para el inicio de transmisión, la cual se transmite a una distancia grande por o que usa la combinación Correa dentada-Cremallera la cual proporciona una precisión mejor que el usar bandas a presión no dentadas.
USER
Concepto 1
Figura 14-Concepto 1
El concepto 1 propone un posicionamiento de 3GDL iniciando por rotacional ejecutado por un motor monopolar con transmisión de engrane, un angular ejecutado por un servomotor ubicado directamente en la articulación con transmisión de engrane el cual restringe a una posición angular definida por el servomotor y un prismático ejecutado por un sistema correa dentadacremallera iniciando desde la base por un motor monopolar. Los movimientos de rotación y angular son de forma independiente mientras que el prismático tiene una ligera dependencia de la posición angular debido a que su sistema de transmisión pasa por la articulación angular.
USER
Concepto 2 Subconcepto Rotacional 2 Tipo de actuador
Inicio de transmisión
Sistema de transmisión
Motor Monopolar
Base
Engrane
ServoMotor
Centro de gravedad
Correa dentada
Articulación
Cadena
Sobre el centro de
Paralelogramo
gravedad
Cable
Tabla 7 Subconcepto 4
Análisis del subconcepto Para este tipo de subconcepto únicamente se utiliza este tipo de combinación ya que el movimiento inicia en la base donde también se ubica la articulación, por este motivo se utiliza el actuador de tipo monopolar debido a que no se requiere restricción de movimiento, en cuanto al sistema de transmisión el mejor es el tipo engrane debido a que no se requiere distancias grandes.
Subconcepto Angular 2 Tipo de actuador
Inicio de transmisión
Sistema de transmisión
Motor Monopolar
Base
Engrane
ServoMotor
Centro de gravedad
Correa dentada
Articulación
Cadena
Sobre el centro de
Paralelogramo
gravedad
Cable
Tabla 8 Subconcepto 5
USER
Análisis del subconcepto Se parte de un servomotor el cual presenta gran torque y precisión, con repetitividad el cual se conectara a la articulación mediante el sistema de transmisión de paralelogramo conocido como 4 barras el cual se ubica en la base, la relación de posición angular es directa desde el servo a la articulación, en este caso se puede usar también correa dentada, para este caso se puede usar los dos tipos de transmisión ya que la distancia entre la base y articulación es aceptable para usar el sistema de paralelogramo, evitando así el diseño de banda y engranes Para este movimiento se puede usar un servomotor debido a que su movimiento angular puede ser restringido.
Subconcepto Prismático 2 Tipo de actuador
Inicio de transmisión
Sistema de transmisión
Motor Monopolar
Base
Tornillo sin fin
ServoMotor
Centro de gravedad
Cremallera
Articulación
Correa dentada-Cremallera
Sobre el centro de
Cadena-Cremallera
gravedad Tabla 9 Subconcepto 6
Análisis del subconcepto Para el tipo prismático se parte de un motor monopolar ubicado sobre el centro de gravedad paralelo al movimiento prismático la cual se transmite a una distancia grande por o que usa la combinación Correa dentada-Cremallera la cual proporciona una precisión mejor que el usar bandas a presión no dentadas. En este subconcepto se tiene en cuenta el contrapeso que se usa en lo movimientos tipo grúa de pluma horizontal y abatible usados comúnmente en los diseños mecánicos para manejar pesos como se observa en el siguiente esquema.
USER
Figura 15-Distribución en grúa tipo torre
Concepto 2
Figura 16-Concepto 2
El concepto 2 propone un posicionamiento de 3GDL iniciando por rotacional ejecutado por un motor monopolar con transmisión de engrane, un angular ejecutado por un servomotor ubicado en la base con transmisión de paralelogramo de 4 barras el cual restringe a una posición angular definida por el servomotor y el alineamiento de las barras. El prismático es ejecutado por un
USER
sistema correa dentada- cremallera iniciando sobre el centro de gravedad y paralelo al movimiento prismático por un motor monopolar. En este tipo de diseño los tres movimientos son independientes resultando así un mejor análisis posterior de las ecuaciones que rigen sobre el posicionamiento del robot polar
Decisión: Se procede a trabajar en el concepto 2 debido a que los tres movimientos son independientes y resulta conveniente para un mejor diseño mecánico del sistema.
Diseño de detalle Las medidas se encuentran en milímetros y en la configuración detallada a continuación. Rotacional Para el movimiento rotacional se usa el sistema de engranes presentado a continuación el cual usa un acople entre dos discos los cuales uno será la base móvil y una base fija en la que se encuentra empotrado el motor monopolar. El elemento 1 se ubica en el disco móvil que se acopla al elemento 2 que se fija al eje del motor monopolar
Figura 17-Sistema de transmisión de engrane en base
USER
La transmisión es directa y la precisión de esta posición depende de la resolución del motor a pasos monopolar, teniendo un campo de trabajo en revolución de 360º con un diferencial de área determinado por el prismático como se detalla a continuación.
Figura 18-Campo de trabajo, vista superior plano XZ
Angular Para el sistema de transmisión angular se usa un sistema paralelográmo de cuatro barras dispuestas en el eje vertical, usando como actuador un servomotor el cual tiene un desplazamiento de la siguiente forma.
USER
Figura 19-Distribución de 4 barras
En este tipo de sistema de transmisión es de forma restringida debido a las barras y el servomotor, teniendo un ángulo máximo y un mínimo como se presenta en el siguiente campo de trabajo en el plano XY
Figura 20-Ángulos máximo y mínimo
USER
Figura 21-Campo de trabajo, vista frontal plano YX
Prismático Para el sistema de transmisión prismático se usa un sistema banda dentada cremallera paralela al eslabón, usando como actuador un motor a pasos el cual tiene un desplazamiento de la siguiente forma.
Figura 22-Desplazamiento prismático
USER
Para el acople del sistema se usaron los siguientes cálculos Banda calculada
Banda real
Engrane
1.05 0.45
altura modulo dientes D De h Di Pc Espesor
0.6 0.276880479926165
0.47
0.47
245
245
41
67.8357175819105
115.15
19.27
68.3894785417628
116.09
20.21
0.6
1.01849
1.01849
67.1894785417628
114.05302
18.17302
0.869845681658457
1.4765485471872
1.4765485471872
0.434922840829228
0.73827427359360
0.738274273593601
1
Perímetro
366
Diámetro
116.501418343267
Tabla 10 Cuadro de datos para engrane y banda
DISEÑO ELECTRONICO Para la parte electrónica se necesitará circuitos que aseguren el funcionamiento de los motores unipolares que se va a utilizar, en el presente proyecto hemos tomado como circuito el driver POLOLU A4988.
El diagrama de conexiones del driver mencionado con el o los motores es el que se muestra en la figura 23.
Figura 23-Circuito conexión motor a pasos
USER
Este driver nos brinda la facilidad de que no se requiere un parte de potencia previa, ya que como se observa, únicamente se necesita conectar una fuente externa para los motores a los pines correspondientes del driver, y con esto aseguramos la alimentación para cada motor, y el driver se encarga internamente de la parte de potencia y las señales que recibirá del controlador utilizado en este caso Arduino.
Para el funcionamiento del Servo Motor no se requiere un circuito especial, ya que los servos poseen internamente su circuito de control, y simplemente se conecta sus terminales directamente al controlador utilizado (Vcc, Gnd, Señal).
Figura 24-Interior servomotor
Y finalmente para la botonera únicamente se utilizaran pulsadores, los cuales mandaran las señales al controlador para realizar cierto movimiento de los motores.
Una vez determinado la conexión a utilizarse para los motores, el diagrama de conexiones finales se detalla en la figura 24.
USER
Figura 25-Diagrama Conexiones
USER
DISEÑO SISTEMA CONTROL
USER
USER
USER
DESCRIPCION DE HMI
MELANIE
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El control de la corriente para el movimiento de los motores es necesario controlarlos para que no haya movimientos bruscos al momento de la operación.
Se recomienda en el diseño usar siempre los actuadores en la base del robot para asi tener mayor estabilidad en el mismo.
DESCRIPCION DE HMI
MELANIE
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El control de la corriente para el movimiento de los motores es necesario controlarlos para que no haya movimientos bruscos al momento de la operación.
Se recomienda en el diseño usar siempre los actuadores en la base del robot para asi tener mayor estabilidad en el mismo.
Bibliografía [1] F. Reyes, Fundamentos de Robótica, España: Mc Graw Hill, 1997. [2] R. I. o. América, Robotic, 1979. [3] R. I. Association, RIA, 2013. [4] J. Rodriguez, Manipulador Robótico, Mexico: Monte Blanco, 2012. [5] ITCH
II,
«Robótica,»
Febrero
2014.
[En
línea].
Available:
https://profejuandotcom.files.wordpress.com/2014/02/r48942.pdf. [Último acceso: 26 Mayo 2017]. [6] Instituto Técnico Industrial Francisco Jose de Caldas, «Como trabaja un robot,» 21 Enero 2015.
[En
línea].
http://automatica.mex.tl/imagesnew/5/0/1/4/2/GUIAS%20ROBOTICA%202.pdf.
Available: [Último
acceso: 26 Mayo 2017]. [7] F. Conti, Motores paso a paso, Barcelona: Tecnibook Ediciones, 2006.
USER
