INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA. Diseño y Construcción de un Brazo Robot Articulado de Seis Grados de Libertad

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1 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA. Diseño y Construcción de un Brazo Robot Articulado de Seis Grados de Libertad Sánchez A. (ITS Tepeaca) mc.a_sanchez@live.itstepeaca.edu.mx Volumen 2. Número 1. Recibido: Marzo Revisado: Abril Publicado: Mayo

2 Diseño y Construcción de un Brazo Robot Articulado de Seis Grados de Libertad Sánchez A. (ITS Tepeaca) mc.a_sanchez@live.itstepeaca.edu.mx Volumen 2. Número 1. Resumen. Este artículo muestra el diseño y construcción de un brazo robot de seis grados de libertad. En este proyecto se han empleado motores de corriente directa, una interfaz electrónica para el control de posición conectada al puerto paralelo de una impresora, así como el software de automatización virtual (LabView); que es distribuido por National Instruments. Palabras Clave: Robot, grados de libertad, automatización, interfaz, LabView. 172

3 ITST Tec-Magazine (Vol. 1 No. 3, pp ) Mayo Introducción. El campo de la robótica industrial puede definirse como el estudio, diseño y uso de robots para la ejecución de procesos industriales. Más formalmente, el estándar ISO (ISO 8373:1994, Robots industriales manipuladores Vocabulario) define un robot industrial como un manipulador programable en tres o más ejes multipropósito, controlado automáticamente y reprogramable [1] El presente trabajo tiene como objetivo principal el diseño y creación de un brazo robot de seis grados de libertad. Con este sistema se logrará dotar a los alumnos con una herramienta que puede ser empleada en los sistemas de modelado de los sistemas industriales. En conjunto con el diseño se hará una aplicación basada en un sistema de instrumentación virtual empleando LabView de la empresa National Instruments [2]. Así mismo se creará la interfaz electrónica para controlar el brazo robot. 2. Planteamiento del problema El diseño y construcción de un brazo robot de seis grados de libertad contempla un proyecto de donde se habrá de diseñar un robot prototipo que cuente con las dimensiones que permiten realizar movimientos precisos y fluidos. El robot se basa en la utilización de motores de transmisión directa, sensores y actuadores conectados a un panel de control (interfaz de usuario) donde se controlará y programará la tarea a desarrollar. Estos a su vez realizarán los movimientos vertical y horizontal con el fin de cumplir la tarea establecida por el usuario. 3. Objetivos del diseño y construcción del sistema Objetivo general. Diseñar y construir un brazo robot de seis grados de libertad Objetivos particulares Diseñar y construir el prototipo del robot empleando herramientas de CAD Realizar el análisis de requerimientos del proyecto Realizar el análisis de pesos y dimensiones de las articulaciones Emplear un lenguaje de alto nivel para programar la interfaz de usuario del prototipo Realizar un análisis comparativo del desempeño del brazo robot con respecto a uno comercial Elaborar el manual de usuario y de mantenimiento del sistema 4. Justificación del diseño Actualmente el uso de sistemas automatizados resulta atractivo e indispensable dentro de los procesos de manufactura. Los alumnos a través de prototipos construidos con fines didácticos pueden aprender a desempeñar tareas relacionadas con las cadenas de producción y la logística empleada en dicho proceso. Además siendo conocedores de la realidad actual de la carrera de Ing. Industrial del Instituto, y al no poder contar con las máquinas y herramientas necesarias para modelar una línea de producción, se ha optado por construir un elemento de dicho sistema; la fabricación de un brazo robótico como proyecto en el cual participen activamente alumnos de la carrera logrará fortalecer la formación de nuestros alumnos. Cabe mencionar que mediante la participación activa de docentes y alumnos se fortalecerán los conocimientos 173

4 adquiridos en las asignaturas. Esto a su vez nos permite desarrollar nuestra creatividad y a la vez adquirir más experiencia en cuanto al desarrollo de habilidades y destrezas. 5. Elementos empleados para el diseño Sensores Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, ph, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc [3]. Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que Puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etc. Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes: Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano. 174

5 ITST Tec-Magazine (Vol. 1 No. 3, pp ) Mayo 2011 Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería. 6. La robótica La robótica es la ciencia y la tecnología de los robots. Se ocupa del diseño, manufactura y aplicaciones de los robots.la robótica combina diversas disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control.otras áreas importantes en robótica son el álgebra, los autómatas programables y las máquinas de estados. El término robot se popularizó con el éxito de la obra RUR (Robots Universales Rossum), escrita por Karel Capek en En la traducción al inglés de dicha obra, la palabra checa robota, que significa trabajos forzados, fue traducida al inglés como robot. Clasificación de los robots Según su cronología La que a continuación se presenta es la clasificación más común: 1ª Generación. Manipuladores. Son sistemas mecánicos multifuncionales con un sencillo sistema de control, bien manual, de secuencia fija o de secuencia variable. 2ª Generación. Robots de aprendizaje. Repiten una secuencia de movimientos que ha sido ejecutada previamente por un operador humano. El modo de hacerlo es a través de un dispositivo mecánico. El operador realiza los movimientos requeridos mientras el robot le sigue y los memoriza. 3ª Generación. Robots con control sensorizado. El controlador es una computadora que ejecuta las órdenes de un programa y las envía al manipulador para que realice los movimientos necesarios. 4ª Generación. Robots inteligentes. Son similares a los anteriores, pero además poseen sensores que envían información a la computadora de control sobre el estado del proceso. Esto permite una toma inteligente de decisiones y el control del proceso en tiempo real. Robots Industriales. El campo de la robótica industrial puede definirse como el estudio, diseño y uso de robots para la ejecución de procesos industriales. Más formalmente, el estándar ISO (ISO 8373:1994, Robots industriales manipuladores Vocabulario) define un robot industrial como un manipulador programable en tres o más ejes multipropósito, controlado automáticamente y reprogramable. 175

6 Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definición formal de lo que es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado japonés y el euro-americano de lo que es un robot y lo que es un manipulador. Así, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación, el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control. En segundo lugar, y centrándose ya en el concepto occidental, aunque existe una idea común acerca de lo que es un robot industrial, no es fácil ponerse de acuerdo a la hora de establecer una definición formal. Además, la evolución de la robótica ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definición. La definición más comúnmente aceptada posiblemente sea la de la Asociación de Industrias Robóticas (RIA), 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. Esta definición, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la Organización Internacional de Estándares (ISO) que define al robot industrial como: Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas. 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. Por último, la Federación Internacional de Robótica (IFR) distingue entre robot industrial de manipulación y otros robots: Por robot industrial de manipulación se entiende 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. En esta definición se debe entender que la reprogramabilidad y la multifunción se consiguen sin modificaciones físicas del robot. Común en todas las definiciones anteriores es la aceptación del robot industrial como un brazo mecánico con capacidad de manipulación y que incorpora un control más o menos complejo. Un sistema robotizado, en 176

7 ITST Tec-Magazine (Vol. 1 No. 3, pp ) Mayo 2011 cambio, es un concepto más amplio. Engloba todos aquellos dispositivos que realizan tareas de forma automática en sustitución de un ser humano y que pueden incorporar o no a uno o varios robots, siendo esto último lo más frecuente. 7. Automatización Industrial Etimológicamente se tiene (automatización; del griego antiguo auto: guiado por uno mismo) es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos. El alcance va más allá que la simple mecanización de los procesos ya que ésta provee a operadores humanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo, la automatización reduce ampliamente la necesidad sensorial y mental del humano. La automatización como una disciplina de la ingeniería es más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales. Las primeras máquinas simples sustituían una forma de esfuerzo en otra forma que fueran manejadas por el ser humano, tal como levantar un peso pesado con sistema de poleas o con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir formas naturales de energía renovable, tales como el viento, mareas, o un flujo de agua por energía humana. Los botes a vela sustituyeron a los botes de remos. Todavía después, algunas formas de automatización fueron controladas por mecanismos de relojería o dispositivos similares utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales -algún resorte, un flujo canalizado de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas, tal como figuras en movimiento, creación de música, o juegos. Dichos dispositivos caracterizaban a figuras humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde 300 AC. En 1801, la patente de un telar automático utilizando tarjetas perforadas fue dada a Joseph Marie Jacquard, quien revolucionó la industria del textil. La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica industrial. Algunas ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación. Por ejemplo, Japón ha tenido necesidad de retirar muchos de sus robots industriales cuando encontraron que eran incapaces de adaptarse a los cambios dramáticos de los requerimientos de producción y no eran capaces de justificar sus altos costos iniciales. Para mediados del siglo 20, la automatización había existido por muchos años en una escala pequeña, utilizando mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de manufactura. Sin embargo el concepto solamente llego a ser realmente práctico con la adición (y evolución) de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea. Las computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad, poder de cómputo, precio y tamaño empezaron a aparecer en la década de 1960s. Antes de ese tiempo, las computadoras industriales era exclusivamente computadoras analógicas y computadoras híbridas. Desde entonces las computadoras digitales tomaron el control de la mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semiespecializadas y especializadas, con algunas excepciones notables en la producción e inspección de alimentos. Como un famoso dicho anónimo dice, "para muchas y muy cambiantes tareas, es difícil remplazar al ser humano, quienes son fácilmente vueltos a entrenar dentro de un amplio rango de tareas, más aún, son producidos a bajo costo por personal sin entrenamiento." 177

8 8. Hardware y Software para Automatización Dispositivos de control eléctrico y electrónico. Un sistema dinámico puede definirse conceptualmente como un ente que recibe unas acciones externas o variables de entrada, y cuya respuesta a estas acciones externas son las denominadas variables de salida. Las acciones externas al sistema se dividen en dos grupos, variables de control, que se pueden manipular, y perturbaciones sobre las que no es posible ningún tipo de control. La figura 1 ilustra de un modo conceptual el funcionamiento de un sistema. Figura 1. Esquema general de un sistema Dentro de los sistemas se encuentra el concepto de sistema de control. Un sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados (consigna). Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes requisitos: Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a perturbaciones y errores en los modelos. Ser tan eficiente como sea posible, según un criterio preestablecido. Normalmente este criterio consiste en que la acción de control sobre las variables de entrada sea realizable, evitando comportamientos bruscos e irreales. Ser fácilmente implementable y cómodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador. Los elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulación son los siguientes: Sensores. Permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema. Controlador. Utilizando los valores determinados por los sensores y la consigna impuesta, calcula la acción que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta estrategia. Actuador. Es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por el controlador y que modifica las variables de control 178

9 ITST Tec-Magazine (Vol. 1 No. 3, pp ) Mayo 2011 Software para automatización LABVIEW LabView es un software comercial de programación bastante utilizado por ingenieros y científicos esto debido a su facilidad de programación y su esquema bastante e intuitivo; entre sus diversas aplicaciones se encuentran la creación de software para control de procesos, la conexión con controladores, sensores y actuadores entre otros temas. Su programación se basa en el lenguaje gel cual permite trasladar casi literalmente el algoritmo en forma gráfica para la programación, esto pues hace más fácil de comprender la lógica del programa. Labview es propiedad de National Instruments (NI) para mayor información puede consultar su página web: Conociendo la interfaz de usuario Al ingresar al programa usted se encontrará con la ventana de inicio (ver figura 2) Figura 2. Ventana de inicio de LabView. Luego hacer clic en opción Blank VI (ver figura 3), lo cual aparecieran dos ventanas, una detrás de otra, para ordenarlas pulsar la combinación de teclas control + t con lo cual se ordenarán las ventanas una al costado de otra. Figura 3. Ventanas de programación de LabView. 179

10 Cómo se puede apreciar existen dos ventanas de programación la primera llamada Front Panel en donde se hace la programación con objetos que van a ser vistos por el usuario y la segunda Block Diagram en donde se hace la programación como objetos que iban a ser vistos únicamente por el programador. En la programación se utilizan los llamados controles o indicadores, los primeros se encargan de recibir los datos de entrada para el proceso y los últimos se encargan de presentar los resultados; por lo tanto, el usuario puede modificar el dato de entrada en un control pero no puede modificar la información de salida de un indicador. Figura 4. Vista de los Instrumentos Virtuales de LabView. Existen diversos tipos de controles e indicadores los cuales van a representar un instrumento en la vida real (en el caso de que sean gráficos) o también un simple requerimiento de entrada o salida tipo cuadro de texto; todo esto va a ser útil para poder crear diversos instrumentos virtuales también conocidos como VI por sus siglas en inglés. Ver figura 4 [5]. 9. Desarrollo y funcionamiento del proyecto La construcción de un sistema automatizado contempla el uso de mecanismos tales como: engranes, poleas, motores, servomotores, Sensores, actuadores, fuentes de suministro de voltaje, equipo de cómputo, tarjetas de adquisición de datos, etc. Mediante este diseño se logrará motivar a los alumnos para que colaboren en un proceso de planeación y construcción; es decir se llevará a la práctica la aplicación de los conocimientos obtenidos en las asignaturas del plan de estudios de la carrera. De manera directa se contempla que se apliquen los conocimientos de las asignaturas: Electricidad y Electrónica, taller de investigación, Gestión y Administración de proyectos, Mecatrónica, Dibujo Industrial entre otras. La descripción de funcionamiento motriz del robot se encuentra descrita a continuación. Primer movimiento El giro que realiza la base se había pensado fuera de 180º aproximadamente. Se logró que este alcanzara un giro de 270 teniendo como tope dos pulsadores que apagan automáticamente el motor de la base; esto con 180

11 ITST Tec-Magazine (Vol. 1 No. 3, pp ) Mayo 2011 la finalidad de evitar daños a los mecanismos, en la figura 5 se ilustra el movimiento del primer elemento del robot. Antebrazo del robot Brazo del robot Base del robot Figura 5. Giro de la base del brazo robot Segundo movimiento El segundo movimiento que habrá de efectuar el brazo robot corresponde al situado entre la base y el brazo, el movimiento es vertical dando un giro de entre 0º y 90º aproximadamente teniendo como tope dos pulsadores que apagan automáticamente el segundo motor. Ver la figura Antebrazo del robot Brazo del robot Base del robot Figura 6. Movimiento acimutal del brazo del robot. 181

12 Tercer movimiento El tercer movimiento del robot se da a través del balanceo del brazo del robot, existe una analogía al movimiento del segundo motor, de tal manera que se representa esquemáticamente mediante la figura 7 mostrada a continuación. Antebrazo del robot Brazo del robot Base del robot Figura 7. Movimiento del antebrazo del robot El resto de los movimientos realizados con el comportamiento del robot están relacionados con la muñeca y el efector final del brazo, se ha contemplado entre sus herramientas construir una pinza con un sistema de detección de presión, una pinza para soldadura o corte y una ventosa neumática. La figura 8 muestra la pinza electrónica que se ha construido como efector final del robot. Figura 8. Pinza electrónica que se ha construido como efector final del robot. 182

13 ITST Tec-Magazine (Vol. 1 No. 3, pp ) Mayo 2011 Interfaz electrónica de control. El diseño y construcción de la interfaz electrónica de control se ha realizado mediante la construcción de una tarjeta que es conectada por el puerto paralelo de una computadora. Figura 9. Interfaz electrónica del robot Esta interfaz permite enviar datos desde un equipo de cómputo (PC de escritorio o portátil), con requerimientos mínimos de hardware y de software. Se ha construido empleando circuitos integrados de lógica TTL (Transistor Transistor Lógic). En la figura 9 se muestra una vista de dicha tarjeta de control. Se han empleado como circuitos de control LS293D para la etapa de potencia; mientras que para la lógica de control se han empleado buffer triestado74ls244. Se cuenta también con un bus de datos de 25 líneas [6] Interfaz de usuario del sistema de control La figura 6 muestra la interfaz de usuario o de control del brazo robot de seis grados de libertad. Esta se ha construido empleando el software LabView versión 9; mismo que se distribuye por la empresa National Instruments. En la figura 10 se puede apreciar que con cada uno de los botones se controla las partes del sistema. Figura 10. Muestra la interfaz de usuario o de control del brazo robot de seis grados de libertad. Esta se ha construido empleando el software LabView. 183

14 10. Conclusiones Hasta el momento el proyecto se encuentra terminado en un 100%. Se han empezado a realizar algunas pruebas tomando en cuenta el control desde la computadora. Por lo que se pudo notar se cumplieron al 100% los objetivos planteados al principio del proyecto. Sólo hace falta que los alumnos realicen algunas tareas o pruebas con el sistema. Es importante destacar que se trata de un diseño que tiene la posibilidad de ser modificado; al tratarse de una arquitectura abierta se pueden incorporar nuevas herramientas como parte del efector final. Podemos decir también que en cuestión del software de control también tiene la posibilidad de ser modificado, para esto solo se requieren conocimientos basados en programación en el lenguaje gráfico LabView. Cabe mencionar que las actividades relacionadas con la difusión del proyecto ya han iniciado, se ha participado en Feria de Innovaciones Tecnológicas 2010, celebrada en el marco del XIII Congreso Internacional de Ingeniería Industrial, dicho evento fue celebrado en las Instalaciones del Centro de Convenciones y del Instituto Tecnológico de Puebla. Finalmente se muestra la siguiente información con especial agradecimiento a los colaboradores dentro del diseño y construcción Entidad ejecutora a) Líder del proyecto: M.C. Armando Sánchez Cuevas b) Colaboradores: Colotla García Adrían (Alumno) López Contreras Alfredo (Alumno) Nolasco González J. Salvador (Alumno) Flores Pérez German (Alumno) Méndez González Salvador (Alumno) Velázquez Aquino Ma. Jesús (Alumno) 11. Bibliografía [1] [2] [3] [4] [5] Sánchez A. Tutorial Labview, ITST, 2010 [6] 184