ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECÁNICA INGENIERÍA MECÁNICA ELECTRÓNICA BRAZO ROBÓTICO Docente: Ing. Docente: Ing. Iván Cantos Alumnas: Mirella Alumnas: Mirella Medina (7023) Karen Remache (7015)
Nivel: Sexto “A”
Objetivo General Desarrollar el brazo robótico, mediante la tarjeta Arduino nano y la programación de software con controlador con LabView desde el computador Objetivos Específicos
Ensamblar el brazo robótico a escala, tomando como referencia el diseño del Kit Brazo Robótico 4 Servomotores 4 GDL. Configurar la tarjeta Arduino, para los controladores. Realizar la programación de bloques en el controlador LabView. Realizar pruebas de funcionamiento del proyecto.
Qué es un brazo robótico Un brazo robótico es un brazo mecánico con una base electrónica que permite que sea totalmente programable. Además, este tipo de brazo puede ser un elemento único, pero también puede ser parte de un robot u otro sistema robótico. La cualidad de un brazo robótico frente a otro tipo de elementos mecánicos es que un brazo robótico es totalmente programable mientras que el resto de dispositivo no. Esta función nos permite tener un único brazo robótico para diversas operaciones y para realizar diversas actividades distintas y diferentes, actividades que pueden realizarse gracias a placas de electrónica como las placas de Arduino. Funciones de un brazo robótico Posiblemente la función más básica de un brazo robótico sea la función de brazo auxiliar. En algunas operaciones necesitaremos un tercer brazo que soporte algún elemento para que una persona pueda construir o crear algo. Para esta función no se necesita ninguna programación especial y tan solo necesitaremos apagar el mismo dispositivo. Los brazos robóticos se pueden construir con diversos materiales lo que hace que podamos utilizarlos como sustituto para realizar operaciones peligrosas como la manipulación de elementos químicos contaminantes. Un brazo robótico también puede ayudarnos a realizar tareas pesadas o que se necesitan una presión adecuada, siempre y cuando esté construido con un material fuerte y resistente
Materiales necesarios para su construcción A continuación, vamos a enseñaros cómo construir un brazo robótico de una forma rápida, sencilla y económica para todos. Sin embargo, este brazo robótico no será tan potente o útil como los brazos que vemos en las películas, sino que servirá para aprender sobre su funcionamiento y su construcción. Así pues, los materiales que necesitaremos para construir este dispositivo son:
Una placa Arduino NANO
Regulador Im2596
Una bornera de dos terminales
Espadines hembra y macho
Un diodo led
Una resistencia de 1 K ohms
Cuatro micro servo motores
Una baquelita perforada
ARDUINO NANO El Arduino Nano es una pequeña, pero poderosa tarjeta basada en el ATmega328. Posee las mismas funcionalidades que un Arduino UNO, solo que en un tamaño reducido. Para programarla solo se necesita de un cable Mini USB. Las características de entrada salida son que cada uno de los 14 pines digitales del Nano pueden ser usados como entrada o salida, usando las funciones pinMode(), digitalWrite(), y digitalRead(). Operan a 5 voltios. Cada pin puede proveer o recibir un máximo de 40mA y poseen una resistencia de pull-up (desconectada por defecto) de 20 a 50 kOhms. Características: Microcontrolador: ATMega328 Voltaje de operación: 5V Voltaje de alimentación (Recomendado): 7-12V I/O Digitales: 14 (6 son PWM) Memoria Flash: 32KB EEPROM: 1KB Frecuencia de trabajo: 16MHz Dimensiones: 0.73″ x 1.70″
REGULADOR LM2596 Este circuito permite tener un voltaje regulado a partir de una fuente de alimentación con un voltaje mayor, por ejemplo, si tienes una fuente de 12V puedes regularlos a 5V, 3.3V, 2 .2V, etc, para el uso con microcontroladores, Arduino, PICs, Raspberry Pi , fuentes variables, drivers para leds, etc. Este módulo está basado en el Regulador DC-DC Step Down LM2596 que es un circuito integrado monolítico adecuado para el diseño fácil y conveniente de una fuente de conmutación tipo buck. Es capaz de conducir una corriente de hasta 3A. Maneja una carga con excelente regulación de línea y bajo voltaje de rizado. Este dispositivo está disponible con voltaje de salida ajustable. El módulo reduce al mínimo el uso de componentes externos para simplificar el diseño de fuentes de alimentación.
El módulo convertidor LM2596 es una fuente de alimentación conmutada, así que su eficiencia es significativamente mayor en comparación con los populares reguladores lineales de tres terminales, especialmente con tensiones de entrada superiores. Características: Basada en el regulador LM2596, salida entre 1,5 y 35Vdc Voltaje de entrada: 4.5-40V Voltaje de salida: 1.5-35V (Adjustable) Corriente de salida: Maxima 3A Dimensiones: 43*20*14mm Frecuencia de switching: 150 KHz
BORNERA DE DOS PINES La Bornera de 2 Pines es un componente que no puede faltar a la hora de diseñar circuitos impresos, este componente permitirá conectar una alimentación externa con la sujeción rápida que posee en sus entradas delanteras, las cuales están hechas de metal para aumentar la conductividad. Características: Materiales de construcción: alma de metal con un recubrimiento de plástico para evitar contacto eléctrico con el usuario. Conector de bloque de 5.08 mm 2 entradas de conexión Es compatible con circuitos eléctricos y protoboards
ESPADINES MACHO Y HEMBRA Un conector Berg (En inglés pin header) es un tipo de conector eléctrico. Consta de uno o más filas de pines macho típicamente espaciados 2.54 milímetros (0.1 pulgadas) entre sí, pero a veces 2 milímetros (0.079 pulgadas) o 1.27 milímetros (0.05 pulgadas) también se utilizan. Los conectores Berg son normalmente conectores macho (aunque existen también conectores hembra, pero estos se denominan generalmente conectores de cable plano) y es interior utilizado mayoritariamente equipamiento, más que ser utilizado como conector en el exterior del dispositivo. La distancia entre pins es generalmente referido como paso en la comunidad electrónica
DIODO LED Los diodos son componentes electrónicos que permiten el paso de la corriente en un solo sentido, en sentido contrario no dejan pasar la corriente. En el sentido en que su conexión permite pasar la corriente se comporta como un interruptor cerrado y en el sentido contrario de conexión como un interruptor abierto. Un diodo Led es un diodo que además de permitir el paso de la corriente solo un sentido, en el sentido en el que la corriente pasa por el diodo, este emite luz Características: Los Diodos Leds tienen dos patillas de conexión una larga y otra corta. Para que pase la corriente y emita luz se debe conectar la patilla larga al polo positivo y la corta al negativo. En caso contrario la corriente no pasará y no emitirá luz.
RESISTENCIA 1KΩ Las resistencias o resistores son los elementos más utilizados en electrónica y son utilizados en infinidad de proyectos, ya sea para limitar la corriente por ejemplo en un LED, como divisor de voltaje, para disipar potencia como en el caso de los arreglos de resistencia para motores eléctricos, o también para generar calor como las resistencias eléctricas que utilizan las cafeteras, calentadores de agua, etc.
MICROSERVO MOTOR El servo SG90 Tower Pro un servo miniatura de gran calidad y diminutas dimensiones, además es bastante económico. Funciona con la mayoría de tarjetas electrónicas de control con microcontroladores y además con la mayoría de los sistemas de radio control comerciales. Funciona especialmente bien en aeronaves de aeromodelismo dadas sus características de torque, tamaño y peso. El servo SG90 tiene un conector universal tipo “S” que encaja perfectamente en la mayoría de
los receptores de radio control incluyendo los Futaba, JR, GWS, Cirrus, Hitec y otros. Los cables en el conector están distribuidos de la siguiente forma: Rojo =Alimentación (+), Cafe = Alimentación ( –) o tierra, Naranja= Señal PWM. Este tipo de servo es ideal para las primeras experiencias de aprendizaje y prácticas con servos, ya que sus requerimientos de energía son bastante bajos y se permite alimentarlo con la misma fuente de alimentación que el circuito de control. Por ejemplo, si se conecta a una tarjeta Arduino, se puede alimentar durante las pruebas desde el puerto USB del PC sin mayor problema.
Características: Micro Servo Tower-pro Velocidad: 0.10 sec/60° @ 4.8V Torque: 1.8 Kg-cm @ 4.8V Voltaje de funcionamiento: 3.0-7.2V Temperatura de funcionamiento: -30 ℃ ~ 60 ℃ Ángulo de rotación: 180° Ancho de pulso: 500-2400 µs Longitud de cable de conector: 24.5cm
BAQUELITA PERFORADA Pistas estándar son ideales para la creación de prototipos y la construcción de circuitos, pero puede llevar mucho tiempo para utilizar con componentes con ciertas configuraciones de pines como ICs así como gastar tanto tiempo en romper las vías para asegurarse de que no existen cortocircuitos a través de los pines de los componentes opuestos. Este breadboard soluciona ese problema por haber aislado grupos de pines. Placa para PCB soldable, PCB de un solo lado, breadboards con pistas. Estas placas son especialmente útiles para conservar un prototipo o experimento que acaba de crear en una protoboard, soldando así todas las piezas en su lugar
Características: - Material: Bakelita - Longitud: 100mm - Ancho: 50mm - Espesor: 1.2mm - Diámetro del agujero: 1mm
Software necesario para el funcionamiento La interfaz usada para el diseño del código de control del brazo robótico fue LabVIEW 2017, interfaz compatible con ARDUINO, que posee una plataforma de programación basada en diagramas de bloque aplicados en sistemas de automatización de procesos.
Diseño estructural del brazo robótico Fue diseñado en el programa Solid Works, donde se presenta un prototipo mediante dimensiones y medidas que son válidas para el desarrollo del proyecto. El prototipo del brazo manipulador ensamblado con todas sus partes mecánicas y servomotores queda como se muestra en las figuras
Panel Frontal de la interfaz gráfica Interfaz gráfica que acumula las entradas originadas por el usuario y representa las salidas que proporciona el programa. En la figura se muestra el panel frontal que 33 está formado por pulsadores, indicadores, potenciómetros, gráficos, entre otros. Estos pueden estar definidos como un control o un indicador.
Diagrama de bloques de la interfaz gráfica Dentro del diagrama de bloques se establece el código fuente, que es donde se realiza la implementación del programa para el control y realización de cualquier proceso de entradas y salidas que se crean en el panel frontal. Incluye estructuras y funciones integradas en las librerías de LabView (figura 3.6). Lo más importante es la estructura, debido a que los bucles y las declaraciones casuales en lenguajes, ejecutan el código que contiene de forma repetitiva o condicional (for, while, case, entre otros)
VI Package Manager National Instruments, empresa propietaria de la interfaz LabView ofrece herramientas y aplicaciones adicionales denominadas “toolkits”, que facilitan aún más el diseño de
programación en esta interfaz el momento de conectarlos con otros dispositivos, en este caso Arduino. Es decir, una vez instalado el toolkit de Arduino en la interfaz HMI LabView se obtienen nuevas herramientas gráficas dentro del diagrama de bloques que reemplazan la programación de código fuente que debería realizarse desde la plataforma Arduino, diseñando el código o programa solamente desde la interfaz. Para instalar dicho toolkit es necesario utilizar el program VI package manager, también propiedad de National Instruments mostrado en la figura. En este programa se busca e instala de forma rápida y sencilla el toolkit de Arduino para Labview.
NI VISA Este programa, propiedad de National Instruments, es un controlador que permite la comunicación entre Labview con otros dispositivos. VISA provee la interfaz de programación entre el hardware y ambientes de desarrollo como LabView. 37 Este programa identifica el Puerto COM de tal forma que automáticamente establece la conexión c on Arduino mediante un cable USB al puerto de la PC. De esta manera LabView reconoce el dispositivo en este caso Arduino UNO. Para que esto se lleve a cabo en la interfaz de LabView, la función INIT de Arduino, que se encuentra dentro del panel de diagrama de bloques consta de un pin llamado “VISA Resource” en el cual se debe crear una constante que vendrá a ser el Puerto COM que es el que
establecerá la conexión con Arduino, y que previamente lo identifica Labview por medio de NI VISA. Al hacer clic derecho en el pin VISA resource de la función INIT se elige la opción “create” y luego “Constant” para crear la constante mencionada con anterioridad
Después de realizar este proceso aparece un rectángulo de color morado conectado al pin VISA resource mostrado en la figura, y al hacer clic en la flecha del recuadro 38 deben aparecer los puertos COM que contiene la computadora. Se deberá seleccionar el puerto al cual se conectará el Arduino. En caso de no existir ningún puerto existe la opción “Refresh” que sirve para actualizar a tiempo el programa y tratar de que logre reconocer los puertos.
CONEXIÓN DE SERVOS CON LA PLACA ARDUINO NANO Y EL REGULADOR
SIMULACIÓN A continuación, en la figura se presentan las simulaciones realizadas dentro de la interfaz LabView utilizando medidores que determinan el ángulo y posición de cada servomotor.
CONCLUSIONES
Con el programa Solid Works, software utilizado para realizar diseños en Cad, se pudo obtener las dimensiones y medidas del brazo robótico utilizadas para el diseño de la estructura del brazo robótico. La interfaz Labview permitió gracias a la facilidad de programación gráfica por diagrama de bloques y por la compatibilidad que tiene para trabajar conjuntamente con la plataforma Arduino realizar el diseño del brazo robótico.
Con el diseño del sistema human machine interface (HMI) y la descarga del software VI Package Manager e Instrumento de Arquitectura de Software Virtual (VISA), se pudo obtener el diseño del control manual y automático del brazo robótico.
La fuente de poder DC externa debe ser exclusiva para la alimentación de los servomotores, debido a que Arduino no da la suficiente corriente para el control de los mismos. 53 Recomendaciones
RECOMENDACIONES
El proceso automático se puede mejorar ampliando el número de datos de la matriz haciendo que el brazo realice el número de iteraciones que el usuario desee. El diseño del brazo robótico se puede mejorar, especificando tareas adicionales como la ejecución de nuevos movimientos controlados manualmente o en si la programación de un nuevo control autómata dependiendo de los requerimientos del usuario.
El material con el que se podría elaborar la estructura mecánica del brazo robótico puede ser una variante de plástico más flexible de lo normal que pueda permanecer a la intemperie durante mucho tiempo sin sufrir daños en su estructura y coloración, mucho más resistente que el vidrio, lo cual no es fácil que se rompa y de esta manera se evita el riesgo de lesiones.
