CAPÍTULO I Planteamiento del Problema 1.1 Caracterización del Problema Diseñar y construir un prototipo de un brazo robot que explore las posibilidades de su utilización para resolver tareas cotidianas en el hogar, como en las empresas, para la ayuda de personas con dificultad de movimiento. Se podrán utilizar materiales fáciles de mecanizar, aunque no sean los más idóneos para su producción definitiva sin embargo nos darán una idea para su futura modificación o diseño. Inicialmente, el problema en darle al proyecto “Brazo robótico” existente es mayor funcionalidad realizando los ajustes necesarios, tanto mecánicos como de software, realizar un seguimiento en pantalla de las piezas mientras éstas efectuaban un movimiento curvilíneo desde la posición de inicio hasta la de destino, y modificar dicho movimiento, para que la trayectoria que trazara fuese en línea recta. Para alcanzar este objetivo, fue necesario utilizar una librería gráfica, que lleva la programación de aplicaciones en Turbo C a un nivel superior que recibe una serie de piezas que deben ser ubicadas en un sitio de almacenaje de área semicircular y radio 200m. La playa de almacenamiento contiene un sector de carga (200; 0º) donde llegan los bultos y se encuentra dividida en un sector de almacenaje para piezas tipo A y un sector de almacenaje para piezas tipo B. Se pueden almacenar 2 tipos de piezas o bultos diferentes, cada uno en un área distinta del sitio de almacenaje y correspondiente a los de su tipo, sin poder ubicarse una pieza tipo A en el área de las piezas tipo B y viceversa. Una vez ubicados todos los bultos, se procede a la reubicación, la cual permite cambiar de posición cualquiera de las piezas existentes en la totalidad de la playa de almacenamiento sin restricciones. La reubicación de las piezas se logra a partir del ingreso de nuevas coordenadas ingresadas. En el presente software, no sólo se ve la trayectoria que trazaba la máquina (curvilínea) sino también la mejora introducida gracias a la cual la pieza se mueve de la posición de inicio a la de destino trazando una línea recta. Por que al comenzar el problema del brazo robótico se desarrolla un prototipo para observar en pantalla la ubicación de las piezas bajo este entorno.
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Debido a los inconvenientes del “brazo robótico”, la integración del prototipo con el brazo no se hizo posible, por lo que opté por descartar éste y realizar un nuevo soft que simulara todo. De esta forma conseguirá que no sólo simule la mecánica tomando en cuenta el comportamiento de los motores paso a paso, sino que también presenta una interfaz gráfica más real, representativa y amena. La finalidad de este proyecto es la integración de un brazo robot controlado por una micro controladora en un proceso automatizado. Dicho brazo irá situado en el punto final de todo el proceso, con la finalidad de almacenar todos los elementos de salida que nos suministra un manipulador.
1.2 Problemas de Investigación 1.2.1. General ¿Cómo diseñar y construir un brazo robótico? 1.2.3. Especifico ¿De que manera se puede diseñar y construir el prototipo del robot empleando programas de Matlap ? ¿Cómo Realizar el análisis de requerimientos del proyecto ? ¿Cómo Realizar un análisis comparativo del desempeño del brazo robótico ? 1.3 Objetivos 1.3.1. Objetivos Generales a) El objetivo de este proyecto es el desarrollo del modelo cinemático, el control y la simulación mediante un ordenador de un brazo robótico de 6 grados de libertad. Para ello, se ha diseñado e implementado un programa en Matlab. El funcionamiento del programa consta de los siguientes pasos: el usuario manda una orden a través del pc, y el manipulador hace la secuencia dependiendo de la aplicación que le haya dado el usuario. b) Diseñar y construir un brazo robótico de seis grados de libertad. c) Modelar un brazo robótico y controlarlo mediante un micro controlador que servirá como interfaz. d) Diseñar y construir un brazo robótico, para la ayuda de personas con dificultad de movimiento.
1.3.2. Objetivos Específicos a) Construir la parte mecánica, que incluye el ensamblaje del brazo y los servomotores b) La manipulación del brazo debe ser sencilla de utilizar para que cualquier persona sin conocimientos previos de su manejo pueda hacer uso de este.
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c) Debe ser construido de manera sencilla, utilizando materiales de fácil acceso y económicos, para que cualquier persona con pocos conocimientos en la materia pueda construirlo siguiendo esquemas o diagramas de fácil interpretación. 1.4 Importancia y Justificación El proyecto de mejoramiento del brazo robot implementando el control P.I.D. Es factible porque existen los elementos necesarios para poder implementar dicho dispositivo al brazo robótico además de que cada uno de los dispositivos que se requieren para poder realizar este proyecto está disponible en el mercado y a un precio accesible. Los beneficios que se obtendrán al realizar este proyecto es que al implementar el control P.I.D. a los brazos robóticos simplemente tendrán un movimient o más dinámico (que se puedan mover de una forma menos rígida y con más grado de libertad de movimiento) además de que al implementarlo en la industria se podrá trabajar de una manera más rápida y eficiente y no solo en la industria ya que este brazo si es llevado al campo de la educación (en instituciones de educación superior) a los alumnos se les puede dar clases acerca de cómo es que puede operar en caso de que no tengan idea de cómo funciona el control P.I.D. Muchos de los brazos robot son automatizados y esto ocasiona en algu nasempresas de la industria actual recorte de personal, pero con la implementación de este brazo esto no sucederá porque para manejar este brazo se requiere de por lo menos una persona que pueda manejarlo y esto da como efecto secundario la creación de empleos de personas que tengan la capacidad de maneje este brazo. También se le podría dar otra aplicación cambiando todo el hardware (circuitería de control y el mismo brazo) de esta forma funcionara como una extensión disminuyendo riesgos para el operario en actividades de alto riesgo en la industria. Al realizar este proyecto no se modifica ni se deteriora el medio ambiente de una forma muy drástica ya que solamente con sumirá la energía que se suministre dela fuente que se le esté aplicando además de que no contamina y es solo este factor el que puede contribuir de alguna forma al deterioro de nuestro medioambiente pero es si no hay
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ningún otro peligro que se pueda presentar al estar usan este brazo robótico. El uso de los robots se ha incrementado considerablemente en esta parte del continente. Su principal uso es en líneas de producción. Esto es debido a que permite una producción más eficiente, reducción del desperdicio de material, y de costos, además de mejorar sustancialmente la calidad de los productos. Este documento explora, a un nivel elemental, el tema, y hace un recorrido por los equipos de este tipo disponibles en el laboratorio CIM de la Universidad Ricardo Palma. La palabra robot fue usada por primera vez en el año 1921, cuando el escritor checo Karel Capek (1890-1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossum´s Universal Robot (R.U.R.). Su origen es la palabra eslava robótica, que se refiere al trabajo realizado de manera forzada. Actualmente el término robot encierra una gran cantidad de mecanismos y máquinas en todas las áreas de nuestra vida. Su principal uso se encuentra en la industria, en aplicaciones tales como el ensamblado, la soldadura o la pintura. En el espacio se han utilizado desde brazos tele operados para construcción o mantenimiento hasta los famosos exploradores marcianos Pathfinder. Robots para aplicaciones submarinas y subterráneas se incluyen en exploración, instalación y mantenimiento de estructuras. Los robots militares o policías pueden hasta desactivar bombas y patrullar áreas enemigas. Lo más novedoso en Robótica son los robots aplicados en la medicina como prótesis y en la agricultura como recolectores. No está excluida por supuesto el área del entretenimiento, los parques temáticos, las películas y hasta los juguetes, que nos sorprenden en cada nueva temporada. La diferencia principal entre un robot y una máquina convencional es que el primero es capaz de modificar su tarea a realizar. Esto convierte a los robots en la solución ideal para el mundo cambiante y exigente de la industria. El término robot puede adquirir muchos significados diferentes dependiendo del contexto. En este trabajo, un robot será considerado como un robot industrial, también llamado manipulador o brazo robot. Este tipo de robot consiste, en esencia, en un brazo mecánico articulado (inspirado en el brazo humano) * Docente - URP (Laboratorio CIM) La Federación Internacional de Robótica (IFR) en su informe
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técnico ISO/TR distingue entre robot industrial y otros robots con la siguiente definición: a)
Teórico "...por brazo robot industrial de manipulación se entiende a una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento..." Un típico brazo robot industrial no tiene la capacidad de iniciar ninguna acción por su cuenta. Todas sus secuencias necesarias son determinadas de antemano, a través de un programa dentro de un procesador. De aquí la importancia de una representación exacta del entorno del brazo robot en la computadora del robótica. La robótica sintetiza algunos aspectos de las funciones que realiza el hombre a través del uso de mecanismos, sensores y procesadores. Su estudio involucra muchas áreas del conocimiento, que a grandes rasgos las podemos dividir en: manipulación mecánica, locomoción, visión por computadora e inteligencia artificial. La robótica ha dado lugar, entre otras cosas, a procesos de producción mucho más eficientes y a un alto grado de calidad en los productos; esto sin considerar que les da competitividad a las empresas frente a sus similares. A ello se le puede agregar una reducción significativa en los procesos donde exista desperdicio de material, debido al alto grado de precisión que pueden tener los robots, ya sea para el caso de ensamblaje, soldado o apilado de piezas .
b)
Practico Los beneficios de la utilización de robots en las líneas de producción son variados. El primer y el más claro de los beneficios de los robots es la consistencia de la calidad. Con un sistema automatizado completo, a cada producto que viene de la línea de producción se le puede garantizar la autenticidad de su calidad. Esto significa que las máquinas producirán productos terminados que serán determinados sólo por el valor de la materia prima que fue ingresada. La aceptación y satisfacción de los clientes se verá definitivamente incrementada si los consumidores saben que
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pueden confiar en un producto y en su construcción, el cual no está sujeto a error humano. Tomando en cuenta la consistencia de una fábrica automatizada todo puede ser predecible. El administrador de una fábrica automatizada puede predecir en cualquier momento que producción estará lista para ese día, que producción estará para el fin de semana, o si se producirán los suficientes productos en un determinado tiempo para cubrir la demanda de un cliente particular. La ventaja más grande en costos es definitivamente el reemplazo de la labor humana. No solo las pagas jornales y salarios son eliminados, también pagos por enfermedad, vacaciones, beneficios y bonos son también eliminados. También existe una reducción significativa en fragmentos y desperdicios de material cuando los robots realizan tareas con materia prima. Debido a su precisión, los robots pueden cortar, moldear, dar forma a materiales, empleando una mínima perdida de material. Los beneficios económicos restantes de tener un robot que reemplaza al ser humano en una fábrica son: incrementar la imagen de la fábrica dentro del mercado (el cual va de mano en mano con el incremento de la aceptación del consumidor mencionada antes) que resulta del incremento de las ventas por la alta calidad de los productos, debido a una calidad constante y reduce el costo de calidad de las inspecciones, las cuales pueden ser recortadas si el output de la línea de ensamblaje fuese conocido para ser consistente.
c)
Metodología Así, todos los beneficios de la robótica en una fábrica han sido beneficios del sistema de automatización en general, sin embargo, la robótica fue introducida dentro de la industria en los 50's y llega a ser un boom al final de los 70's debido a que poseían un talento que tarde a temprano "el duro sistema de automatización" no lo poseía. Este talento fue la flexibilidad, la ventaja más aclamada de los robots sobre el sistema de automatización es su habilidad de adaptarse y realizar diferentes tareas sin cambios en el disco duro. Esto es requerido para que un robot pueda cambiar de manera flexible de una operación a otra, para mantenerse al ritmo de las
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a. b. c. d. e. f.
d)
tendencias del mercado, o para adaptarse a las codificaciones de la fábrica. En el Laboratorio CIM de la Universidad Ricardo Palma tenemos 4 robots de marca Mitsubishi. Tres de ellos de seis grados de libertad que se usan para: Soldar un clip a una tarjeta electrónica (PCB). Alimentar de materia prima a las maquinas CNC. Manipular materia prima en las distintas Estaciones de Trabajo. Ensamblar una ruleta electrónica. Uno de 5 grados de libertad que se usa para: Alimentar de materia prima al sistema de visión artificial.
Social El brazo robótico posee un espacio de trabajo esférico que le permite una utilización óptima de las áreas pequeñas en las células de producción. Esta característica convierte a estos robots en componentes muy versátiles dentro de los sistemas integrados.
Características
Brazo Robótico articulado de tipo vertical. Número de grados de libertad: 5 Capacidad de carga: 3 Kg Servomotores de corriente alterna tipo brushless. Detectores de posición: codificadores absolutos. Alcance máximo: 715 mm. Velocidad máxima: 3.500 mm/s Repetitividad: ± 0,04 mm Posibilidades de instalación en suelo, techo y pared. Peso: 33 Kg
El brazo robótico dispone de 6 ejes que le proporcionan una gran libertad de movimiento en espacios muy reducidos. Esta característica convierte a este robot en uno de los más flexibles y maniobrables de su categoría.
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Características
Brazo Robótico articulado de tipo vertical. Número de grados de libertad: 6 Capacidad de carga: 2 Kg Servomotores de corriente alterna tipo brushless. Detectores de posición: codificadores absolutos. Alcance máximo: 706 mm Velocidad máxima: 3.500 mm/s Repetitividad: ± 0,04 mm Posibilidades de instalación en suelo, techo y pared. Peso: 36 Kg
CAPITULO II Marco Teórico 2.1 Antecedentes En 1920 Karel Capek emplea por primera vez la palabra chaca “robota” (trabajo tedioso) para referirse a un humanoide mecánico (no biológico). Este proyecto nace por la inquietud de algunos alumnos de ingeniería Mecatrónica de la universidad Continental, por contar con sistemas que ayuden a mejorar la productividad de las industrias de nuestra región, en las líneas de ensamblado por ejemplo se usan para soldar y colocar las distintas partes durante el ensamblaje. El brazo robótico sirve para poder hacer el trabajo más rápido con mayor precisión y evitando pérdidas humanas con los accidentes.
2.2 Teórico 2.2.1. Descripción del Proyecto En 1920 Karel Capek emplea por primera vez la palabra chaca “robota” (trabajo tedioso) para referirse a un humanoide mecánico (no biológico). El brazo robótico es un proyecto de construcción con dimensiones que permiten realizar movimientos precisos y fluidos. El robot se
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basa en la utilización de servomotores que realiza dos tipos de movimiento horizontal y vertical con cierto ángulo de libertad.
2.2.2. Relación con la Carrera La relación de este proyecto con la carrera de Mecatrónica está en la creación de un sistema automatizado que sirve en las industrias y cualquier uso que se pueda pensar, siempre en los estándares de fuerza y capacidad de carga
2.3. El Brazo Robótico 2.3.1. Definición Un brazo robótico es una entidad virtual o mecánica artificial. En la práctica, esto es por lo general un sistema electromecánico que, por su apariencia o sus movimientos, ofrece la sensación de tener un propósito propio. La independencia creada en sus movimientos hace que sus acciones sean la razón de un estudio razonable y profundo en el área de la ciencia y tecnología. La palabra robot puede referirse tanto a mecanismos físicos como a sistemas virtuales de software, aunque suele aludirse a los segundos con el término de bots. El robot de fabricación más común es el brazo robótico. Un brazo robótico típico se compone de siete segmentos metálicos, unidos por seis articulaciones. La computadora controla el robot girando motores individuales conectados a cada paso conjunta (unos brazos más grandes utilizan la hidráulica o neumática). A diferencia de los motores de corriente, los motores de paso pueden moverse en incrementos exactos (echa un vistazo a Anaheim Automación para saber cómo). Esto permite que el ordenador pueda mover el brazo de manera muy precisa, repitiendo exactamente el mismo movimiento una y otra vez. El efector final, o mano robótica, se puede diseñar para realizar cualquier tarea que se desee como puede ser soldar, sujetar, girar, etc., dependiendo de la aplicación. Por ejemplo los brazos robóticos en las líneas de ensamblado de la industria automovilística realizan una variedad de tareas tales como soldar y colocar las distintas partes durante el ensamblaje. En algunas circunstancias, lo que se busca es una simulación de la mano humana, como en los robots usados en tareas de desactivación de explosivos.
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2.3.2. Clases a) Robot cartesiano: Usado para trabajos de “pick and place”
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c)
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(tomar y colocar), aplicación de impermeabilizantes, operaciones de ensamblado, manipulación de máquinas herramientas y soldadura por arco. Es un robot cuyo brazo tiene tres articulaciones prismáticas, cuyos ejes son coincidentes con los ejes cartesianos. Robot cilíndrico: Usado para operaciones de ensamblaje, manipulación de máquinas herramientas, soldadura por punto, y manipulación en máquinas de fundición a presión. Es un robot cuyos ejes forman un sistema de coordenadas cilíndricas. Robot esférico / Robot polar , tal como el Unimate: Usados en la manipulación en máquinas herramientas, soldadura por punto, fundición a presión, máquinas de desbarbado, soldadura por gas y por arco. Es un robot cuyos ejes forman un sistema polar de coordenadas. Robot SCARA: Usado para trabajos de “pick and place” (tomar y colocar), aplicación de impermeabilizantes, operaciones de ensamblado y manipulación de máquinas herramientas. Es un robot que tiene dos articulaciones rotatorias paralelas para proporcionar elasticidad en un plano. Robot articulado: Usado para operaciones de ensamblaje, fundición a presión, máquinas de desbarbado, soldadura a gas, soldadura por arco, y pintado en spray. Es un robot cuyo brazo tiene como mínimo tres articulaciones rotatorias. Robot paralelo: Uno de los usos es la plataforma móvil que manipula las cabinas de los simuladores de vuelo. Es un robot cuyos brazos tienen articulaciones prismáticas o rotatorias concurrentes.
g) Robot Antropomórfico: Similar a la mano robótica de Luke Skywalker que se le coloca al final de The Empire Strikes Back. Se le da forma para que pueda sustituir a una mano humana, p.e. con dedos independientes incluido el pulgar.
2.3.3. Importancia Con el paso de los años, el brazo robótico se ha vuelto una herramienta muy importante para el desarrollo de las industrias ya que abaratan costes en la producción, además de mejorar la calidad de los productos al ser estos brazos más precisos que los humanos, evitando también la exposición de los trabajadores a situaciones arriesgadas que hacen peligrar sus vidas.
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