Brazo Robotico TC LIMI 2-09 - Campus Tlalpan

04-TC-LIMI-HI-0209-Brazo Robótico-PIIT
UNIVERSIDAD DEL VALLE DE MEXICO
Proyecto de Fin de Carrera
Brazo Mecánico
Región: Ciudad de México
Campus: Tlalpan
Maestro: Gabriel Mendoza Figueroa
Fecha de entrega: 2009-10-02
Carrera: Telecomunicaciones y Electrónica
Alumnos: Gustavo Adolfo Vielma Samperio
David Mayen Derramadero

Indice
Objetivo……………………………………………………………………………………………….. ….3
Abstract………………………………………………………………………………………………….3
Introducción…………………………………………………………………………………………...4
Estado del arte…………………………………………………………………………………………….6
1 Manipuladores……………………………………………………………………………………......7
1.1 Robots inteligentes……………………………………………………………………………….8
1.2 Tipos de brazos mecánicos……………………………………………………………………9
2 Desarrollo…………………………………………………………………………………………….11
2.1 Modelo de manipuladores……………………………………………………………………11
2.2 Manipulador Programado…………………………………………………………………….11
2.3 Modelo de una manipulador Manual………………………………………….………..12
2.4 Descripción……………………………………………………………………………………………13
2.5 Puente H……………………………………………………………………………………………….14
2.6 Switches y palancas………………………………………………………………………………..16
3 imágenes mostrando el funcionamiento del brazo manipulador…………….17
4 Glosario……………………………………………………………………………………………………22
5 …………………………………………………………………………………………………………………22
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Objetivo:
Este trabajo promueve la iniciativa a tomar la realización, el diseño, fabricación e
implementación de un brazo manipulador a pequeña escala desarrollado por los
jóvenes para poder mover pequeños objetos de un lugar a otro, teniendo en cuenta la
forma optima de manipulación así como el control y el sentido del movimiento que se
pretende realizar. El objetivo primordial de este proyecto es la realización de un brazo
mecánico para poder ser analizado, probado y estudiado en pequeña escala para ser
implementado en distintas fabricas para que pueda ser aplicado en distintos usos
industriales que ayuden en la mejora de producción para generar un menor costo de
realización y eficiencia en la fabricación de los productos así como mayor rapidez para
poder acortar el tiempo de entrega de los productos.
Abstract
This Project raises the initiative to take the realization, design, manufacture and
implementation of a little scale manipulative robotic arm developed by the youngs to
move some little objects from one side to another, seeing the best manipulation in the
arm with one control and searching the best direction of movement for the arm too.
The prime objective of this project is the production of one mechanic arm for analyze
it, test it and study it to be implementated in fabrics for many industries uses for
improve a better production to generate a less cost in the realization and the efficiency
in the manufactory of the products, also improve the speed of the products realized to
short the time of the delivery of the products.
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Introducción
México al ser un país tercermundista esta limitado en el ámbito tecnológico, con esto
me refiero a que las herramientas tecnológicas (maquinaria industrial principalmente)
no somos capaces de producirla en nuestro país por que no poseemos la tecnología
para producirlas, dándonos como conclusión el importar maquinaria de otros países
(primermundistas principalmente) para su uso en nuestra tierra. Este factor es grave
en nuestro país, ya que al no saber como fueron construidos estos mecanismos o
dispositivos al momento de que estos fallan no sabemos como pueden ser reparados y
tenemos que hablar con la empresa extranjera que nos dio esa maquinaria para que la
puedan reparar ocasionando mucha perdida de tiempo de nuestra empresa o lugar de
trabajo que tengamos.
Al poder documentar este brazo mecánico sabremos mas a fondo cuales son sus
fundamentos, como su función, limitantes, cuales mejoras se le pueden meter al
diseño prototipo y cuales implementaciones perjudicarían el proyecto a largo plazo,
esto nos dará de resultado que cuando se llegue a implementar este proyecto a escala
real sabremos como poder crear, armar, desarrollar y mejorar su mecanismo para su
uso en alguna empresa, con esto lograremos ahorrarnos el tiempo de desuso de la
maquinaria descompuesta y poder crear diversas soluciones para la maquinaria que
este en uso. Por otro lado también crearemos un ambiente de estudio y formación
para futuras generaciones para que puedan saber las ventajas, contratiempos, usos y
problemas que lleguen a tener cualquier mecanismo de esta índole.
En el ámbito profesional el poder saber que elementos componen estos mecanismos,
su funcionamiento y como son usados hará ampliarnos nuestras visiones con respecto
al tema de la electrónica, mecánica y las telecomunicaciones, esto con el fin de que
una vez estudiado, analizado y puesto en prueba este proyecto sepamos a la larga el
manejo y la implementación de los recursos que fueron usados en este proyecto sin
tener problemas en su comprensión o en su manejo en mecanismos a escala real.
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Estado del Arte:
Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imitan las partes del cuerpo
humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a las estatuas de sus dioses.
Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de
estos era inspiración de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban
con sistemas hidráulicos, los cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los
templos.
El inicio de la robótica actual puede fijarse en la industria textil del siglo XVIII, cuando
Joseph Jacquard inventa en 1801 una máquina textil programable mediante tarjetas
perforadas. La revolución industrial impulsó el desarrollo de estos agentes mecánicos,
entre los cuales se destacaron el torno mecánico motorizado de Babbitt (1892) y el
mecanismo programable para pintar con spray de Pollard y Roselund (1939). Además
de esto durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muñecos
mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas características de robots. Jacques de
Vauncansos construyó varios músicos de tamaño humano a mediados del siglo XVIII.
Esencialmente se trataba de robots mecánicos diseñados para un propósito específico:
la diversión. En 1805, Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz
de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como ' el programa ' para el
dispositivo en el proceso de escribir y dibujar.
La palabra robot se empleó por primera vez en 1920 en una obra de teatro llamada
"R.U.R." o "Los Robots Universales de Rossum" escrita por el dramaturgo checo Karel
Capek. La trama era sencilla: el hombre fabrica un robot luego el robot mata al
hombre. Muchas películas han seguido mostrando a los robots como máquinas
dañinas y amenazadoras. La palabra checa 'Robota' significa servidumbre o trabajador
forzado, y cuando se tradujo al ingles se convirtió en el término robot.
En 1964 se abren laboratorios de investigación en inteligencia artificial en el MIT, el SRI
(Stanford Research Institute) y en la universidad de Edimburgo. Poco después los japoneses
que anteriormente importaban su tecnología robótica, se sitúan como pioneros del mercado.
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A partir de esta fecha la mecánica ha sido juntada con la electrónica formando la
robótica, una rama muy amplia de estudio en la ciencia, ya que la robótica abarcara
todo lo referente con dispositivos electrónicos y movimiento a través de recursos
mecánicos. Como nosotros estamos investigando un brazo mecánico nos
concentraremos en la rama de robots industriales.
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. La evolución de la robótica ha ido obligando a tener diferentes
actualizaciones de su definición por lo que la definición mas comúnmente aceptada es la de la
Asociación de Industrias Robóticas (RIA) la cual dice:
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.
Otra definición por la Federación Internacional de Robótica (IFR) distingue a robot industrial de
manipulación como una maquina 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
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etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento.
En esta definición se debe entender que la reprogramabilidad y multifunción se consigue 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 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 ultimo lo más frecuente.
Como se ha visto hay varias definiciones acerca de un robot industrial pero todos
coinciden en algo, hacer maquinaria para una automatización rígida, este fin ha dado
origen a varios tipos de robots:
1. Manipuladores
Los manipuladores, conocidos también como brazos mecanicos son sistemas
mecánicos multifuncionales, con un sencillo sistema de control de los cuales existen 3
tipos:
a) Manual: cuando un operario controla directamente al manipulador
b) Secuencia fija: cuando se repite de forma invariable el proceso de trabajo
preparado previamente
c) Secuencia variable: se pueden modificar características del ciclo de trabajo
Una particularidad de estos robots es que mientras las funciones de trabajo sean
sencillas y repetitivas son ampliamente usados.
Robots de repetición o aprendizaje
Estos manipuladores se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente
ejecutada por un operador, haciendo uso de un controlador manual o un dispositivo
auxiliar. En la fase de enseñanza el operador usa una pistola de programación con
diversos pulsadores, teclas, joysticks, o bien utiliza un maniquí o desplaza
directamente la mano del robot. Esta clase de robots son los mas conocidos hoy en dia
en los ambientes industriales y su tipo de programación que incorporan se conoce
como gestual.
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Figura 1.1
Robots con control por computador
Manipuladores multifuncionales controlados por una computadora que
frecuentemente es un microordenador. En esta clase de robots el operador no
necesita mover realmente el elemento de la maquina. El control por computador tiene
un lenguaje en específico compuesto por varias órdenes adaptadas al robot con las
que se crea un programa de aplicación utilizando solo la terminal de la computadora, a
esta clase de programación se le denomina textual y se crea sin la intervención del
manipulador. El problema con esta clase de robots es que exige una preparación
especial para la programación en la computadora.
1.1 Robots inteligentes
Similares al grupo anterior pero estos tienen la variante de que se relacionan con su
entorno por medio de sensores haciendo que tome decisiones en tiempo real. Esta
clase de robots usan inteligencia artificial y por eso aun están en fase experimental ya
que se trata de hacerlos mas efectivos y darles mas potencia al mismo tiempo que
accesibles en precio. No todos los robots son usados en el ambiente industrial, existen
también robots que realizan tareas no industriales de servicio.
En general la historia de la robótica la podemos clasificar en cinco generaciones
(división hecha por Michael Cancel, director del Centro de Aplicaciones Robóticas de
Science Application Inc. En 1984). Las dos primeras, ya alcanzadas en los ochenta,
incluían la gestión de tareas repetitivas con autonomía muy limitada. La tercera
generación incluiría visión artificial, en lo cual se ha avanzado mucho en los ochenta y
noventas. La cuarta incluye movilidad avanzada en exteriores e interiores y la quinta
entraría en el dominio de la inteligencia artificial en lo cual se esta trabajando
actualmente.
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1.2 Tipos de Brazos Mecánicos
Uno de los problemas clásicos en el diseño de brazos mecánicos es su peso, el cual
genera un torque (fuerza angular) que debe ser soportado por motores, que a su vez
tienen que tener fuerza adicional para soportar el torque, generado por el peso de un
objeto que pueda sujetar. Por esta razón es que los brazos mecánicos se clasificaron en
distintos modelos:
Clasificación por la Geometría
• Cilíndricos: cada eje es de revolución total(o casi) y esta encajado en el anterior
• Esféricos: hay ejes de rotación que hacen pivotar una pieza sobre otra
• Paralelogramo: la articulación tiene una doble barra de sujeción.
• Mixtos: poseen varios tipos de articulación
• Cartesianos: las articulaciones hacen desplazar linealmente una pieza sobre
otra.
Figura 1.2
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Clasificacion por el método de control
• No servo-controlados: son aquellos en los que cada articulación tiene un
número fijo (normalmente 2) posiciones con tope y solo se desplazan para
fijarse en ellas. Suelen ser neumáticos, bastante rápidos y precisos.
• Servo-controlados: en ellos cada articulación lleva un sensor de posición (lineal
o angular) que es leído, y enviado al sistema de control que genera la potencia
para el motor. Se pueden así parar en cualquier punto deseado.
• Servo-controlados punto a punto: para controlarlos solo se les indican los
puntos iniciales y finales de la trayectoria: el ordenador calcula el resto
siguiendo ciertos algoritmos . normalmente pueden memorizar posiciones.
Clasificacion por la función
• Produccion: usados para la manufactura de bienes, pueden a su vez ser de
manipulación, de fabricación, de ensamblado y de test.
• Exploracion: para obtener datos acerca de terreno desconocido.
• Rehabilitacion: prolongaciones de la anatomía, se usan para ayudar a los
discapacitados.
Objetivos Generales
Se aplicaran los conocimientos que se hayan adquirido en la carrera para documentar
y analizar un brazo mecanico para poder comprender el como es su funcionamiento,
que partes mecanicas fueron utilizadas para el armado del brazo y el llegar a
comprender su manejo para que posteriormente sepamos el como usarlo. Tambien se
Controlaran los servos de una forma manual para que prendan y apaguen los motores
por medio de switches.
A futuro, se aplicaran sensores para que el brazo reconozca su entorno, se le pondrán
microcontroladores tipo avr (controlador intel 8050), de Motorola hc11, y también se
usaran pics programados para que el manipulador siga una secuencia fija de ordenes.
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2. Desarrollo
2.1 Modelo de Manipuladores
2.2 Manipulador Programado
Primero antes de documentar el brazo que se tiene se debe de hacer una ultima
selección, si este brazo será manual o automático. Normalmente cuando se tiene un
brazo mecánico con un programa a seguir este cumple un patrón de normas que se
explica en este diagrama a bloques:
Figura 2.2
En donde se le asigna una trayectoria a seguir o una orden a ejecutar, el mismo
programa evalúa los distintos algoritmos de control que se pueden aparecer en el
proceso y efectúa el mas viable, una vez seleccionado el algoritmo a seguir se pasa la
tensión a los motores los cuales se moverán con respecto al algoritmo dado(por eso de
su respuesta dinámica) y se llegara a la trayectoria definida o ejecutara la orden
señalada, si en el proceso de ejecución de la orden los sensores del brazo encuentran
algún problema para terminar la aplicación este vuelve a su esquema principal donde
volverá a evaluar sus posibles acciones a seguir y volverá a tomar una acción
pertinente hasta haber acabado su acción.
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Visto de una manera mejor ejemplificada seguiría este esquema:
Figura 2.3
En este caso se asigna el comando a seguir en el aspecto del computador, este manda
la orden al controlador el cual manda la orden al manipulador[2] de que hacer, si en el
proceso encuentra algún problema (generalmente problemas detectados por sus
sensores internos o externos) se vuelve a la interfaz del computador para seguir una
nueva acción.
2.3 Modelo de un Manipulador Manual
Nuestro brazo mecánico no contara con una interfaz de computadora, será todo
manual usando interruptores y palancas (en otras palabras su funcionamiento será
físico, por medio de el ser humano), por lo tal los diagramas variaran un poco pero
seguirán siendo el mismo concepto, asignar una trayectoria lógica al brazo y esquivar
los objetos que se lleguen a encontrar en el camino cambiando nuestro algoritmo de
movimiento para que el manipulador llegue a su destino. Normalmente cuando se
empieza a construir un manipulador siempre se empieza por este tipo de modelo, esto
con el fin de comprobar que todo el cableado eléctrico de los componentes físicos este
bien estructurado y que no llegue a causar un corto el cual pueda originar una
descompostura en material mas electrónico mas delicado como una pc, una consola
entre otros.
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2.4 Descripción
Una vez descritos estos dos tipos de modelos podemos empezar a explicar nuestro
manipulador, este manipulador es uno de modelo manual, asi que sus funciones serán
relativamente sencillas.
Figura 2.4
Esta imagen puede describir en modo general el brazo mecanico que se esta
analizando:
Nuestro brazo contara con cinco motores:
1.- Este motor será el encargado de hacer el cierre de las pinzas del brazo
2.- el motor que se pondrá en la unión de la muñeca, este motor será el encargado de
subir o bajar el aprehensor del brazo en un solo eje, que seria normalmente el eje Z
3.- el segundo motor seria el que estaría en la unión del codo, este haría la misma
función que el motor de la muñeca, mover el brazo en el eje Z para que se pueda tener
una mejor precisión al momento del agarre de algún objeto
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4.- el tercer motor estaría en el cuerpo, este haría que todo el brazo pueda moverse
libremente en un ángulo completo del 0 a 180º en el eje Z
5.- este motor también esta situado en la base solo que este ya le dará la movilidad al
brazo de que pueda girar en el plano XY desde 0 hasta 360º.
2.5 Puente H
Una vez que ya fue explicado el funcionamiento de cada motor, el circuito también
contara con 5 circuitos de puentes H, estos puentes H su funcionalidad será que hagan
que los motores CD puedan funcionar en dos sentidos distintos, ya sea para la
izquierda o para la derecha sin que estos lleguen a tener un corto. Como vamos a estar
trabajando con un mecanismo el cual llegara a necesitar regresar a su forma original,
por cuestiones prácticas es más efectivo un mecanismo el cual pueda moverse en un
área en específico y que no abarque toda una circunferencia o un área extensamente
grande.
El diagrama del circuito integrado del puente H es el siguiente:
Figura 2.5
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El circuito integrado que contiene 2 puentes H es el L293B, este circuito facilitara el
empleo del puente H ya que tendrá implementados los amplificadores operacionales,
solo faltara hacer un arreglo de diodos para que haya un funcionamiento óptimo de los
motores, el arreglo que se usaría seria este:
Figura 2.5.1
Si se quiere que los motores funcionen en ambas direcciones se tendrá que seguir el
arreglo de la izquierda, pero en otro caso, si se quisiera que los motores nada mas
giraran en un solo sentido se tendría que seguir el arreglo especificado del lado
derecho. Los motores conectados a estos arreglos para que puedan empezar a
funcionar necesitaran un impulso de salida (un valor alto), en el caso del motor
bidireccional necesitara 2 señales las cuales entraran por los pines 2 y 7, por el mismo
arreglo que se hizo de diodos solo dejara pasar una sola señal a la vez, en el momento
en que se metan dos señales el motor dejara de funcionar, en el otro lado también se
necesitaran 2 señales pero las señales serán personalizadas a cada motor lo que hará
que puedan funcionar de manera independiente siempre y cuando reciban su impulso
alto de voltaje.
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Los arreglos de puente H serán los siguientes:
2.6 Switches y Palancas
En esta parte asignaremos un switch o palanca en particular a cada arreglo de puente
H que se llego a tener, estas palancas solo tendrán la función de ser los interruptores
los cuales dejaran pasar la corriente directa a los mismos puentes H, estos se
encargaran de encender los motores los cuales giraran en un sentido arbitrario
dependiendo de que señales hayan recibido por los puentes H, una vez recibidas estas
señales se podra mover una sección en particular o todo el manipulado.
Generador
Modelo del brazo mecánico ya terminado
Figura 2.6.1
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3. Imágenes mostrando el funcionamiento y partes del Brazo
manipulador
Imagen de las partes mecánica del brazo manipulador la cual muestra los engranes
que se utilizaron para el moviemieto uniforme del brazo.
Figura 3.1
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Imagen que muestra el motor servo ubicado en la parte central del brazo que realiza
el movimiento de bajar y subir de manera vertical en ángulo de 0⁰ a 180 ⁰
Figura 3.2
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Imagen que muestra el “codo” del brazo manipulador desde otro ángulo el cual
muestra el movimiento explicado en la figura anterior. También muestra la tenaza de
agarre (mano) que es accionada con el servo integrado de manera oculta en esta.
Figura 3.3
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Imagen que muestra el movimiento del brazo fijado en la base para hacer giros en un
ángulo de 360⁰ al piso. Este movimiento puede efectuarse en ambos sentidos del
reloj.
Figura 3.4
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Imagen mostrando el movimiento del brazo y haciendo una presentación de su
funcionamiento
Figura 3.5
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4 Glosario
Torque: Es la fuerza aplicada en una palanca que hace rotar alguna cosa. Al aplicar
fuerza en el extremo de una llave se aplica un torque que hace girar las tuercas. En
términos científicos el torque es la fuerza aplicada multiplicada por el largo de la
palanca (Torque = F x D) y se mide comúnmente en Newtons metro.
Manipulador: termino que se le da al brazo mecanico
5 Bibliografía
http://proton.ucting.udg.mx/materias/robotica/r166/r64/r64.htm
http://espanol.geocities.com/robottotem/Historia_robotica.htm
http://proton.ucting.udg.mx/materias/robotica/r166/r64/r64.htm
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