MODELADO Y CONTROL DE UN BRAZO ROBÓTICO SCARA CONSTRUÍDO CON LEGO. Entidad colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas

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1 Resumen MODELADO Y CONTROL DE UN BRAZO ROBÓTICO SCARA CONSTRUÍDO CON LEGO Autor: de Gracia Fernández, Ramón Directores: Zamora Macho, Juan Luis Porras Galán, José Entidad colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas RESUMEN E n los últimos años, la presencia de controles en la robótica en general, y en los robots industriales en particular, se ha visto incrementada debido a las exigencias de calidad y rapidez en los sistemas de producción. Para alumnos que estudian carreras como Ingeniería Industrial o Ingeniería en Automática y Electrónica Industrial, el interés por conocer el funcionamiento de dichos controles en profundidad es grande, ya que es muy fácil ver su aplicación en el entorno del día a día. Por ello la idea de realizar un modelo básico y a pequeña escala de un brazo robótico mediante piezas de LEGO, para que una vez investigado el funcionamiento de los controles sobre el modelo, pueda aplicarse el conocimiento obtenido a la docencia. Mediante el uso de potentes programas como Solid Edge, se ha realizado el modelo CAD del brazo construido (Figura 1), con el que se obtendrán los parámetros necesarios para llevar a cabo el modelo matemático a través de las ecuaciones de dinámica, por los métodos de Lagrange y de Newton-Euler. 1

2 Resumen Figura 1: Modelo CAD del robot SCARA. Mediante la aplicación de las ecuaciones de cinemática inversa, se obtendrán los ángulos necesarios de cada uno de los motores para situar el SCARA en la posición solicitada, como puede observarse en la Figura 2. Figura 2: Cinemática robot SCARA 2

3 Resumen Con el fin de obtener la respuesta del brazo SCARA lo más rápida y exacta posible, se han implementado diferentes controles, empezando por los controles convencionales, Proporcional y Proporcional Integral (en el que se ha requerido un análisis especial para eliminar el efecto del windup), para luego pasar a desarrollar nuevos controles más avanzados, como el Control por Par Calculado, más específico para este tipo de robot, en el que se desacoplarán los eslabones para un estudio individual de la respuesta de cada uno, sin la influencia de los otros. Los primeros ensayos se han enfocado en la obtención, tanto mediante la simulación del modelo matemático en MATLAB, como en el modelo físico, de la respuesta individual de cada motor ante un escalón en referencia, obteniéndose las gráficas mostradas en la Figura 3. Figura 3: Respuesta ante escalón en los motores 1 y 2. Para finalizar el estudio del presente proyecto, se ha comprobado la capacidad del robot SCARA de seguir diferentes trayectorias, rectas y circulares, con los controles implementados, obteniéndose las gráficas de la Figura 4. 3

4 Resumen Figura 4: Seguimiento de trayectorias del SCARA. 4

5 MODELING AND CONTROL OF A ROBOTIC SCARA ARM BUILT WITH LEGO PIECES Author: de Gracia Fernández, Ramón Directors: Zamora Macho, Juan Luis Porras Galán, José Collaborating Institution: ICAI Universidad Pontificia Comillas ABSTRACT I n the last years, the presence of controlling systems in general robotics, and in particular in industrial robots, has increased due to the demands of quality and speed of production systems Among Industrial Engineering students as well as for Engineering in Industrial Electronics and Control Automation students, there is a great interest in knowing the operating of these controls in depth, because it s very easy to see its application in the day by day. Hence the idea of a small-scale basic model built with LEGO pieces, because after investigating the functioning of the controls in the model, the knowledge gained could be applied in teaching. The CAD model of the built SCARA arm (Figure 1) has been developed by using a powerful software like Solid Edge, with which the required parameters for the mathematical model SCARA arm have been obtained, using the dynamic equations applying the methods of Lagrange and Newton-Euler.

6 Figure 1: CAD model of the SCARA arm By applying the inverse kinematic equations, the required angles of each motor to set the SCARA at the requested position will be obtained, as shown in Figure 2. Figura 5: SCARA arm kinematic

7 To get the answer of the SCARA arm as quickly and accurately as possible, several controls have been implemented, starting with the conventional controls, P. and P.I. (which required a special analysis to delete the effect of windup) and afterwards develop new advanced controls, such as computed torque control, more specific to this kind of robot, which will decouple the links for an individual study of the response of each one. First trials have been focused on obtaining, both by simulation in MATLAB mathematical model, and by the physical model, the individual response of each motor to a step in reference, obtaining the graphs shown in Figure 3. Figure 3: Response to a step in the motors 1 and 2. To complete the study of this project, it was prove the SCARA robot's ability to follow different straight and circular paths, with the implemented controls, obtaining the graphs in Figure 4.

8 Figure 4: Tracking SCARA arm paths