Construcción de un brazo robótico de cuatro grados de libertad (4 GDL)

Transcripción

1 Construcción de un brazo robótico de cuatro grados de libertad (4 GDL) Rosa del Carmen Armijo Cazares, Miriam Citlaly Gutiérrez Márquez, Alfredo Celaya Arenas, Iván Giovanni López López, Ramón Sarabia Torres, Canek Portillo Jiménez Universidad Autónoma de Sinaloa, Facultad de Ingeniería, Ingeniería en Procesos Industriales, Av. de las Américas y Blvd. Universitarios, Culiacán, Sinaloa, México, CP 80040, Tel: (667) y 53. {rarmijoc12, Miriam_gm_10, Giovanni_40_50, ramón_sarabia24, canekportillo@uas.edu.mx Resumen Se ha construido un brazo robot de cuatro grados de libertad, cuya estructura física está hecha principalmente a base de madera. Son motores de corriente directa los que cumplen la función de actuadores y transmiten, por medio de bandas, el movimiento a las diferentes articulaciones. Los motores se controlan a través de un micro controlador (PIC16F877A), al cual se le programa la rutina de movimiento que se requiere que efectúe el brazo robot. También es posible realizar un control manual del brazo si se realiza la adecuada combinación de pulsaciones a unos botones pulsadores que se le han conectado para este propósito. En este artículo se muestra el proceso de diseño y construcción del brazo robot en sus diferentes etapas, y se muestra el producto final en funcionamiento. Palabra(s) Clave(s): Brazo robot, Micro controlador PIC16F877A, Prototipo de robot industrial. ~1~

2 1. Introducción Un brazo manipulador o brazo robótico se puede definir como el conjunto de elementos electromecánicos que propician el movimiento de un elemento terminal. La constitución física de la mayor parte de estos manipuladores guarda cierta similitud con la anatomía de las extremidades superiores del cuerpo humano, por lo que se suele hacer referencia a los distintos elementos que la componen como: cintura, hombro, brazo, codo, muñeca (ver Fig.1). Una especificación general de un brazo robótico comprende: sus grados de libertad, su configuración y su cinemática. Oficialmente la ISO (International Organization for Standardization) lo define como un manipulador multipropósito, reprogramable y controlado automáticamente en tres o más ejes [1, 2, 3]. Fig. 1. Brazo robot [2]. Como parte de los requerimientos académicos, se le pide al alumno la realización de un proyecto práctico en equipo, que cumpla con la condición de que conjunte el conocimiento de diferentes asignaturas que se cursa en el semestre, y el cual se expone a fin de semestre durante la Semana de Ingeniería en Procesos Industriales. Se eligió realizar un prototipo de brazo robot, del tipo industrial que se suelen utilizar en las líneas de producción [2]. Se tomó como base un diseño en madera de [3], pero que el subsistema de control es por PC. Para el prototipo que se presenta, se toma la idea ~2~

3 del material de construcción, se rediseña y se adapta para un control utilizando un micro controlador. La aportación más importante en este proyecto, es la formación de los estudiantes del programa académico, ya que les permite la conjunción y una mejor asimilación de los conocimientos de diversas asignaturas, a través de la elaboración de un proyecto integrador, orientado a la demostración de la resolución de problemas prácticos. Hay que destacar también que de forma transversal, este trabajo les aporta en aprendizaje de trabajo en equipo, división de tareas a realizar bajo un plan bien definido, donde se realiza un esfuerzo sostenido a lo largo de un plazo establecido, el cual se orienta a la entrega de resultados periódicos guiados con un cronograma. Aprenden también de forma paralela a utilizar las tecnologías de información para difusión de sus resultados y para mejorar su organización (publicación de documentos en la web de wordpress, realización videos en YouTube, y aprendizaje del software Open Project). El resto del artículo se distribuye en los siguientes apartados: en la sección dos se presenta el Desarrollo (el cual a su vez se divide en los subsecciones de Diseño y construcción, Circuito de control, y Fuente de alimentación); posteriormente en la sección tres se explican los resultados; la discusión se realiza en la sección cuatro; y por último se tienen las conclusiones en la parte cinco. 2. Desarrollo 2.1. Diseño y construcción El brazo robótico está compuesto por segmentos o miembros interconectados por puntas o articulaciones. Cada articulación está montada sobre un eje del cual giran dos segmentos, cuyos movimientos son generados por los servomotores. Los distintos elementos del brazo son: la base, el hombro, el brazo, codo y pinzas. El robot está basado en una configuración de robot articulado de 4 grados de libertad. Antes de comenzar a realizar el armado del diseño del brazo final, se ha realizado un prototipo ~3~

4 hecho de cartón; cada una de las piezas se ha elaborado de dicho material. Al finalizar de armar las piezas de cartón, se realizó un ensamble de prueba (ensamble virtual) que sirvió para realizar las correcciones y las modificaciones necesarias, hasta que se obtuvo un resultado satisfactorio. Después de haber obtenido el resultado requerido con el prototipo de cartón, se comenzó a armar el diseño pero ahora en madera, ya con la seguridad de haber obtenido las medidas adecuadas para el diseño. Fig. 2. Prototipo de cartón del brazo robótico. El sistema completo se ha dividido en tres partes principales: la fuente de alimentación; el brazo robot; y el circuito de control. Para éste último se construye una caja protectora de madera donde se alojan a los circuitos impresos con los componentes electrónicos. En la cara principal de la caja se colocan botones pulsadores (utilizados para el modo de control manual), y de esa forma puedan estar de fácil acceso y a disposición para ser manipulados por el operador. En la tabla 1 se muestran los elementos utilizados en la construcción del prototipo final. ~4~

5 Cantidad Elemento 1 Balero tipo bola (4 diámetro) 21 Piezas de madera (19mm) 5 Rondanas planas de vuelo ancho (3/16) 20 Tornillos (3/16) 4 Tuercas Tabla 1. Elementos componentes del brazo robótico Circuito de control Se utilizaron dos circuitos integrados L293B, cada uno de estos circuitos incorpora dos drivers denominados puentes H. Mediante ellos es posible activar un motor de corriente continua, así como establecer su sentido de giro. Se implementaron botones pulsadores para permitir realizar pruebas de movimiento manualmente. Se utilizó el PIC 16F877A para controlar automáticamente el brazo, para ello se le programaron dos rutinas. En la figura 3 se muestran los circuitos impresos [4, 5]; y en la figura 4 se muestra una porción del diagrama de flujo y una parte del código programado. Fig. 3. Circuitos impresos: Drivers L293B (izquierda); PIC16F877A (derecha) [4]. ~5~

6 Fig. 4. Diagrama de flujo (izquierda); y código programado (derecha). En la figura 4 se muestra una parte del código utilizado, y en la siguiente tabla se muestra el material utilizado. Cantidad Elemento Cantidad Elemento 3 Bases para circuitos integrados 16 Diodos (1N4004) 8 Botones pulsadores 1 m Estaño 10 m Cable 8 Diodos Leds 2 Capacitores (33 µf) 4 Motores de CC (5 Kg fuerza) 1 Cautín 2 Resistores de 10 kω 3 Circuitos Integrados (2 L293B y el 16F877A) 1 Cristal Oscilador de 4 MHz Tabla 2. Componentes, materiales y herramientas utilizados (circuitos de control). ~6~

7 2.3. Fuente de alimentación Fue necesario tener una fuente de alimentación exclusiva para energizar el brazo robot. Por tal razón se ha construido una fuente que se ajusta a las especificaciones para aportar la energía requerida por la circuitería de control y los actuadores del brazo robot. Esta fuente puede entregar valores de voltaje de 5 y hasta 18 volts. 3. Resultados Se ha obtenido como producto final un brazo robótico funcional de cuatro grados de libertad (ver Fig. 5). Éste está por presentarse en una exposición de proyectos en la Facultad de Ingeniería, la cual se titula Semana de Ingeniería en Procesos Industriales. Su funcionamiento es posible observarlo en línea en la página web elaborada para este propósito y cuya dirección se muestra en [6]. Fig. 5. Brazo robótico (prototipo final). ~7~

8 En la tabla 3 se presentan algunos datos técnicos del prototipo. Elemento Alimentación Peso Peso de carga Brazo 8 Volts (motores de 200 gr. 2 Kg completo corriente continua) PIC 5 Volts - - Tabla 3. Algunos datos técnicos del prototipo. 4. Discusión La funcionalidad del brazo robótico permite realizar a través de tres movimientos rotacionales y un movimiento lineal, el movimiento de objetos de 200 gr de peso. Los 2 Kg del prototipo y la fuente realizada ad hoc, permite trasladar fácilmente a cualquier parte para realizar demostraciones del tipo académico a manera de prototipo didáctico. Se puede de forma muy didáctica explicar los componentes de este tipo robots, tales como las articulaciones, los actuadores, el sistema mecánico y el sistema de control. Se puede entender mejor las características, en cuanto a la posibilidad de trabajar sin descanso, la superación del desempeño a procesos realizados por personas (no hay fatiga), y la habilidad de la repetitividad (realizar procesos con el mismo tiempo y la misma calidad). Se puede explicar también las aplicaciones de este tipo de robot, las cuales están en función de la herramienta final que es la que determina la aplicación a realizar, tal como el estibado y empaquetado de materiales, pintado de carrocerías automotrices, soldadura de punto y por arco, etc. 5. Conclusiones Con este proyecto ha contribuido en la formación académica de los estudiantes de la carrera. Permite que adquieran un conocimiento integral, ya que para la realización de este tipo de proyectos, se exige involucrar temas de diferentes asignaturas que han ~8~

9 cursado hasta el momento. También les permite adquirir competencias transversales tales como el manejo de las TIC s, y otros programas para generar una mejor organización en el trabajo y una difusión más atractiva del mismo. Existe un proyecto que han realizado compañeros nuestros, que consiste en una máquina automatizada para el empacado de galletas, y que forma parte de los proyectos que se han de exponer en la Semana de Ingeniería en Procesos Industriales. Se piensa que en el corto plazo, se puede realizar un acoplamiento para que el brazo robot trabaje en conjunto con la máquina empacadora, y así poder observarse una de las posibles aplicaciones que tiene este tipo de manipuladores, que es el estibado y empaquetado de materiales. En el mediano plazo y conforme avancemos en asignaturas nuevas, iremos incorporando modificaciones. Una de las adecuaciones que se quiere hacer, es en la etapa de control, cambiando el PIC por un controlador lógico programable (materia que veremos en el siguiente semestre), e indagaremos en la implementación de un sistema de sensado para que haya un proceso de realimentación y se logre una respuesta del robot a su entorno de manera versátil y autónoma. 6. Referencias [1] F. Reyes Cortés. Robótica. Control de robots manipuladores. Primera edición Alfa omega. México. 592 pp. [2] S. Kumar Saha, Introducción a la Robótica. Primera edición Mc Graw-Hill. México. 403 pp. [3] Brazo robot para principiantes (Asociación de robótica y domótica de España). Enero de [4] Hojas de datos del circuito L193B. Dirección electrónica de la página Web. u.pdf. Enero de [5] Hojas de datos del PIC 16F877A. Dirección electrónica de la página Web. Febrerode ~9~

10 [6] Proyecto brazo robot. Mayo de [7] R.C. Armijo Cazares, et al. Instructivo de usuario del brazo robótico de 4 GDL. 7. Autores Título de la revista. Primera Edición México. 6 pp. Rosa del Carmen Armijo Cazares es estudiante del sexto semestre de la Licenciatura en Procesos Industriales en la Facultad de Ingeniería Culiacán, de la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS). Realizó estudios de bachillerato en la preparatoria Victoria del Pueblo de la UAS. Miriam Citlaly Gutiérrez Márquez es estudiante del sexto semestre de la Licenciatura en Procesos Industriales en la Facultad de Ingeniería Culiacán, de la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS). Realizó estudios de bachillerato en el CONALEP 1 en Culiacán. Iván Giovanni López López es estudiante del sexto semestre de la Licenciatura en Procesos Industriales en la Facultad de Ingeniería Culiacán, de la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS). Realizó estudios de bachillerato en la preparatoria Emiliano Zapata de la UAS. Ramón Sarabia Torres es estudiante del sexto semestre de la Licenciatura en Procesos Industriales en la Facultad de Ingeniería Culiacán, de la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS). Realizó estudios de bachillerato en la preparatoria en el COBAES 26 en Culiacán. Alfredo Celaya Arenas es estudiante del sexto semestre de la Licenciatura en Procesos Industriales en la Facultad de Ingeniería Culiacán, de la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS). Realizó estudios de bachillerato en la preparatoria Central Diurna de la UAS. Es técnico titulado en Programación y Mantenimiento de Aeronaves. M. en C. Canek Portillo Jiménez obtuvo su título de Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones en el CICESE; es Ingeniero Electrónico por el Instituto Tecnológico de Culiacán. Actualmente es profesor en la Licenciatura e ingeniería en Procesos Industriales. Comentarios finales: Antes de enviar su artículo le recomendamos: 1. Revise la secuencia de los encabezados. 2. Revise la numeración de las referencias, las ecuaciones, las tablas y las figuras. 3. Revise las citas en el texto de las referencias, figuras, tablas y ecuaciones. ~10~

11 4. Verifique que el trabajo cumpla con el formato propuesto: ancho de columna, márgenes, tipos de letra, formato de referencias, etc. 5. El envío del artículo implica la aceptación por parte de los autores que los derechos patrimoniales de libro X Semana Nacional de Ingeniería Electrónica. Memorias del Congreso serán propiedad de la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco y del Instituto Tecnológico de Celaya para su difusión y distribución. Los autores mantendrán derechos de propiedad que no correspondan con los de publicación de la obra, tales como: derechos de patente. Asimismo, los autores podrán reutilizar porciones del trabajo en otros documentos, así como reproducirlo para uso personal. ~11~