MEMORIAS DEL XXVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 21 AL 23 DE OCTUBRE DE 2020 MORELIA, MICHOACÁN, MÉXICO | FORMATO VIRTUAL Tema A3b Mecanismos y Robótica: Plataforma robótica “Diseño y construcción de brazo robótico para línea de producción entrenadora” Ernesto Monroy Cruz a,* , Vianey García Paredes a , Damián Manzo Hernández a , Isaías Simón Marmolejo b a Tecnológico Nacional de México / Instituto Tecnológico de Atitalaquia, Av. Tecnológico No. 9, Col. Tezoquipa, C.P. 42970, Atitalaquia, Hidalgo, México. b Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Abasolo No. 600, Col. Centro, C.P. 42000, Pachuca, Hidalgo, México. * Autor contacto: . [email protected]R E S U M E N Este trabajo presenta el diseño y construcción de un robot articulado de 3 GDL con la finalidad de integrarlo a las mesas entrenadoras de tiempos y movimientos del laboratorio de Ingeniería Industrial del Tecnológico Nacional de México Campus Atitalaquia. Al plantear los requerimientos del sistema se utiliza la metodología QFD para determinar las características de diseño de un robot de configuración “SCARA”. Un prototipo virtual del mismo es llevado a cabo en SolidWorks y para la construcción de algunos componentes estructurales se utilizó tecnología aditiva (impresión 3D). Como parte del trabajo también se presenta el análisis cinemático del robot mediante el algoritmo de Denavit-Hartenberg, así como la validación de la cinemática en el software Wolfram Mathematica. Finalmente, en los resultados se muestra el robot operado inalámbricamente mediante una aplicación móvil desarrollada que permite controlar las rutinas de movimiento del robot en la línea de producción entrenadora. Palabras Clave: Robot articulado, Diseño, Cinemática, SCARA, QFD. A B S T R A C T This paper presents the design and construction of a 3 DOF articulated robot in order to integrate it into the time and movement training modules of the Industrial Engineering laboratory of Tecnológico Nacional de México Campus Atitalaquia. When setting the system requirements, the QFD methodology is used to determine the design characteristics of a “SCARA” configuration robot. A virtual prototype of the same is carried out in SolidWorks and for the construction of some structural components additive technology (3D printing) was used. As part of the work, the kinematic analysis of the robot using the Denavit - Hartenberg algorithm is also presented, as well as the validation of the kinematics in Wolfram Mathematica software. Finally, the results show the robot wirelessly operated by means of a mobile application developed that allows controlling the robot’s movement routines in the training production line. Keywords: Articulated robot, Design, Kinematics, SCARA, QFD. 1. Introducción El uso del robot industrial, que se identificó como dispositivo único en la década de 1960, junto con los sistemas de diseño asistido por computadora (CAD) y manufactura asistida por computadora (CAM), caracteriza las tendencias más recientes en la automatización del proceso de manufactura [1]. Conceptualmente, un robot industrial es el resultado de la unión de una estructura mecánica articulada y de un sistema electrónico de control, en el que se integra un procesador como “cerebro” del sistema. Se dice entonces que el brazo robótico es una de las innovaciones tecnológicas más importantes que han surgido para el aumento de productividad y mejora de la calidad del producto de los procesos de manufactura. Por ello, en la actualidad los robots se encuentran presentes en cualquier tipo de industria llevando a cabo diversas tareas, tales como: manejo de materiales, carga y descarga de piezas, pintura, soldadura, inspección de calidad, ensamblaje, entre otras. Por otro lado, en el ámbito educativo, hablando en términos de instituciones de nivel superior, es difícil que se cuente con este tipo de tecnología dentro de los laboratorios debido a los costos de dichos equipos. En ese sentido, una de las estrategias que se han planteado diversas instituciones educativas es el auto equipamiento de laboratorios a través de proyectos que generen maquinaria y equipo que permita acercar al estudiante a situaciones del entorno industrial real. Por ello, la creación de brazos robóticos por parte de universidades y centros de investigación es muy común
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MEMORIAS DEL XXVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM21 AL 23 DE OCTUBRE DE 2020 MORELIA, MICHOACÁN, MÉXICO | FORMATO VIRTUAL
Tema A3b Mecanismos y Robótica: Plataforma robótica
“Diseño y construcción de brazo robótico para línea de producción entrenadora”
This paper presents the design and construction of a 3 DOF articulated robot in order to integrate it into the time and movement training modules of the Industrial Engineering laboratory of Tecnológico Nacional de México Campus Atitalaquia. When setting the system requirements, the QFD methodology is used to determine the design characteristics of a “SCARA” configuration robot. A virtual prototype of the same is carried out in SolidWorks and for the construction of some structural components additive technology (3D printing) was used. As part of the work, the kinematic analysis of the robot using the Denavit - Hartenberg algorithm is also presented, as well as the validation of the kinematics in Wolfram Mathematica software. Finally, the results show the robot wirelessly operated by means of a mobile application developed that allows controlling the robot’s movement routines in the training production line.
El uso del robot industrial, que se identificó como
dispositivo único en la década de 1960, junto con los
sistemas de diseño asistido por computadora (CAD) y
manufactura asistida por computadora (CAM), caracteriza
las tendencias más recientes en la automatización del
proceso de manufactura [1]. Conceptualmente, un robot
industrial es el resultado de la unión de una estructura
mecánica articulada y de un sistema electrónico de control,
en el que se integra un procesador como “cerebro” del
sistema.
Se dice entonces que el brazo robótico es una de las
innovaciones tecnológicas más importantes que han surgido
para el aumento de productividad y mejora de la calidad del
producto de los procesos de manufactura. Por ello, en la
actualidad los robots se encuentran presentes en cualquier
tipo de industria llevando a cabo diversas tareas, tales como:
manejo de materiales, carga y descarga de piezas, pintura,
soldadura, inspección de calidad, ensamblaje, entre otras.
Por otro lado, en el ámbito educativo, hablando en términos
de instituciones de nivel superior, es difícil que se cuente
con este tipo de tecnología dentro de los laboratorios debido
a los costos de dichos equipos. En ese sentido, una de las
estrategias que se han planteado diversas instituciones
educativas es el auto equipamiento de laboratorios a través
de proyectos que generen maquinaria y equipo que permita
acercar al estudiante a situaciones del entorno industrial real.
Por ello, la creación de brazos robóticos por parte de
universidades y centros de investigación es muy común
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actualmente, por ejemplo, en [2] se muestra el diseño de un
brazo robótico antropomórfico de 5 grados de libertad para
la automatización del proceso de análisis bacteriológico en
laboratorios clínicos, de carácter formativo y de bajo costo.
Su control es a través de una tarjeta Arduino y sus órdenes
de control fueron programadas desde Matlab, el material
ocupado en este caso fue acrílico, dada su alta resistencia y
fácil manufactura. A pesar de que el material acrílico es
resistente, la manufactura en él no resultó tan precisa para
algunas piezas del brazo. En [3] se aborda otro caso; la
creación de un brazo robótico utilizando tecnologías como
la impresión 3D para las piezas, junto con hardware y
software libre como el Arduino con un módulo Bluetooth, el
cual es enlazado con un aplicativo móvil hecho en Android
para el funcionamiento y control del brazo a distancia. Este
diseño parece ser útil para el objetivo de este proyecto, sin
embargo, tiene ciertas condiciones que no favorecen su
funcionamiento, ya que es un brazo robótico que funciona a
base de servomotores, los cuales cuentan con baja capacidad
de torque, además de que su área de trabajo es limitada y por
ende su aplicación.
En dichos trabajos, los problemas que se han identificado
se deben a la falta de metodología para el diseño de los
brazos robóticos, pues es importante que las características
de ellos se definan con base en las necesidades de la
aplicación o actividad del robot. Ante este escenario, se
aprecia que llevar a cabo una metodología en el proceso de
diseño y construcción facilita el logro de los objetivos, tales
como: funcionalidad, operabilidad, optimización de
recursos y disminución de tiempos de fabricación.
La metodología QFD ha sido considerada por varios años
como una herramienta de apoyo importante para la toma de
decisiones en la etapa temprana del diseño de robots.
Ejemplos de ello son el desarrollo de un robot cartesiano
como impresora 3D en [4], donde se hace hincapié en las
necesidades y requerimientos de los clientes, en este caso,
los estudiantes de la facultad de ingenierías de la
Universidad de Pamplona, teniendo como resultados el
desarrollo de una ruta crítica en la planificación del
proyecto, además de su diseño asistido por computadora
(CAD), construcción y la puesta en marcha del sistema. Por
otra parte, en [5] también definen los criterios de diseño de
un robot deslizante para realizar tareas de inspección y
mantenimiento en pozos petroleros. Para ello realizaron
encuesta a varios expertos en el tema. A partir de los
resultados de la QFD fue posible determinar los requisitos
técnicos que debe reunir la estructura robótica que se desea
diseñar.
El presente trabajo presenta el desarrollo de los siguientes
puntos: el planteamiento de los requerimientos para aplicar
la metodología QFD y así determinar las características de
diseño y construcción de un robot de configuración SCARA,
también se muestra el análisis de la cinemática directa e
inversa para simular la configuración con las ecuaciones
resultantes en el software Wolfram Mathematica.
Asimismo, se presenta el diseño en CAD mediante
SolidWorks de las piezas y el ensamble de dicho robot. Una
vez que se concluye el prototipo virtual, se comienza con la
construcción, la cual contempla la fabricación de algunas
piezas mediante tecnología aditiva. De igual forma, se
muestra el esquema general de la relación entre los
componentes de hardware y software para el control
inalámbrico del brazo, el cual consiste en un
microcontrolador ATMEGA 328, que recibe una señal por
Bluetooth y transfiere las órdenes a los motores a pasos que
accionan las articulaciones del robot. Finalmente, como
resultado se presenta la plataforma robótica funcional
llevando a cabo rutinas de movimientos en conjunto con las
mesas didácticas para tiempos y movimientos de procesos
industriales con las que cuenta el laboratorio de Ingeniería
Industrial del Tecnológico Nacional de México Campus
Atitalaquia.
2. Metodología de desarrollo
2.1. Evaluación de requerimientos
Una de las metodologías que permite tener en cuenta la
opinión de los usuarios acerca de un producto antes de su
concepción y que ha demostrado ser una herramienta eficaz
es la metodología QFD (Desarrollo de la Función de la
Calidad por sus siglas en inglés). En ella se traducen los
requerimientos y parámetros principales, así como las
características necesarias para ir acotando el proceso de
generación de alternativas de solución [6].
Las especificaciones principales que se deben considerar
en el diseño del robot articulado con base en las necesidades
de la línea de producción entrenadora son las siguientes:
• La configuración del robot debe ser óptima para pick and
place de componentes.
• El robot debe tener posibilidad de ser tele operado desde
un dispositivo móvil además de la computadora.
• Los dispositivos electrónicos deben de ser de bajo costo.
• El prototipo debe ser ligero para evitar un alto consumo
de energía.
• El diseño final debe ser ergonómico para la interacción
con el operador.
Figura 1- Matriz QFD analizada.
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De esta forma para cumplir con los parámetros de diseño,
se decide proponer 3 alternativas y evaluar cada una de ellas,
ver Fig. 1. Como opción A se consideró usar motores a paso,
comunicación por bluetooth y Arduino como
microcontrolador principal. La opción B: Servomotores y
dispositivos Xbee. Y en la opción C: Una tarjeta DAQ de
National Instruments para control y comunicación
inalámbrica. De esta forma se evaluaron criterios de diseño
para elegir la mejor opción para resolver el problema, siendo
ésta la opción A.
2.2. Algoritmo Denavit – Hartenberg (D-H)
Este método se basa en la optimización de matrices de
transformación homogénea, estas matrices son de cuatro por
cuatro y representan la transformación de un vector de
coordenadas homogéneas de un sistema a otro, cuenta a su
vez con cuatro sub-matrices: la de rotación, traslación,
perspectiva y factor de escalonamiento. En otras palabras, el
algoritmo es un método matricial que permite establecer de
manera sistemática un sistema de coordenadas ligado a cada
eslabón de una cadena articulada, pudiéndose determinar las
ecuaciones cinemáticas de la cadena completa [7].
De acuerdo al método, escogiendo de manera adecuada
los sistemas de coordenadas asociados a cada eslabón, será
posible pasar de uno a otro mediante cuatro
transformaciones básicas que dependen de las características
geométricas del eslabón.
Para iniciar con el análisis del robot SCARA, es
necesario mencionar que este consta de una configuración
RRP. Considerando esto, el robot puede ser representado
esquemáticamente en la Fig. 2., en donde los cilindros
representan el movimiento rotacional que se tiene entre
eslabones, es decir representan las variables articulares q1 y
q2 y el cubo indica el desplazamiento prismático del eslabón
final, lo que corresponde a la tercera variable articular q3.
Asimismo, son considerados l1, l2 y l3 como las longitudes
de los eslabones.
Figura 2- Representación esquemática de la configuración SCARA.
2.2.1 Cinemática directa
Haciendo uso del algoritmo de Denavit-Hartenberg se
asigna un sistema de coordenadas para cada eslabón [8],
como se muestra en la Fig. 2, a través de esto, y siguiendo
los pasos descritos en [1], se determinan los parámetros que
se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 – Parámetros obtenidos para utilizar en el método de Denavit
Hartenberg.
Los parámetros encontrados para cada elemento serán
sustituidos en la matriz de transformación homogénea
mostrada en la ec. (1).
(1)
Para obtener así la matriz de transformación homogénea
correspondiente a cada uno de los elementos del robot,
mostradas en las ecs. (2)-(4).
(2)
(3)
(4)
Para obtener la matriz de transformación homogénea que
relacione la base del robot con el efector final se debe
aplicar:
(5)
Elemento θi di ai αi
1 q1 l1 l2 0
2 q2 0 l3 180°
3 0 q3 0 0
Elemento 1
Elemento 2
Elemento 3
T0
0 0 0 1
i i i i i i i
i i i i i i i
i
i i i
C S C S S a C
S C C C S a S
S C d
−
− =
1 1 2 1
1 1 2 10
1
1
cos(q ) (q ) 0 cos(q )
(q ) cos(q ) 0 sen(q )
0 0 1
0 0 0 1
sen l
sen lA
l
− =
2 2 3 2
2 2 3 21
2
cos(q ) (q ) 0 cos(q )
(q ) cos(q ) 0 sen(q )
0 0 1 0
0 0 0 1
sen l
sen lA
− = −
2
3
3
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 q
0 0 0 1
A
=
0 0 1 2
3 1 2 3T A A A=
l1
l2 l3
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C.D.P.
Desarrollando el producto de las matrices de
transformación antes mencionadas se obtiene:
1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 3 3 1 2
2 1 1 2 1 2 1 2 2 1 2 3 1 1 3 20
3
1 3
0
0
0 0 1
0 0 0 1
C C S S C S C S l C C C l l S S
C S C S C C S S l S C l S C l ST
l q
− + + −
+ − + + + = − −
(6)
Por simplificación en la escritura de los elementos de las
matrices se ha adoptado la siguiente nomenclatura:
1 1
1 1
2 2
2 2
os(q )
(q )
os(q )
(q )
C C
S Sen
C C
S Sen
=
=
=
=
De la matriz de transformación homogénea en la ec. (6)
se observan las ecs. (7)-(9) que representan la cinemática
directa de posición (C.D.P.) del robot.
(7)
(8)
(9)
2.2.2 Cinemática inversa
La cinemática inversa consiste en obtener las variables
articulares a partir del conocimiento de la posición del
efector final del brazo [9].
Se parte del hecho de que la matriz de transformación
homogénea de la ec. (6) es reemplazada por la siguiente
expresión [10]:
(10)
Cabe hacer mención que los términos Px, Py, Pz,
representan la posición del efector final en los ejes X, Y, Z
respectivamente.
Tomando las consideraciones anteriores, a partir de la ec.
(5) se obtiene:
(11)
Donde:
(12)
Sustituyendo las ecs. (10) y (12) en la ec. (11) se obtiene:
=
(13)
A partir de aquí, se siguen los pasos descritos en [10]
para encontrar una expresión donde q1 esté en función de
constantes y no de q2 o q3. En ese sentido, se obtiene lo
siguiente:
(14)
Simplificando la ec. (14) se obtiene:
(15)
Despejando a q1 de la ec. (15) se obtiene su expresión
final:
(16)
Una vez que se conoce q1, se puede conocer a q2 y q3, esto
a partir de la ec. (11) se obtiene lo siguiente:
(17)
Reemplazando los valores respectivos de la ec. (17)
resulta lo siguiente:
0 1 0 1 2
1 3 2 3( )A T A A− =
1 1
1 1 3 2
11 3 2 2
1 1
y x
y x
yx
x x
C P S P
C P C P l S
S PC P l C l
C P C P
−
=+
+
1 3 21
3 2 2
y
x
P l Stg tg q
P l C l
−
− = +
1 1 3 21
3 2 2
y
x
P l Sq tg tg
P l C l
− − = −
+
0 1 1 1 0 2
1 2 3 3( ) ( )A A T A− − =
cos(q ) l cos(q q )2 1 3 1 2
x l= + +
0
3
0 0 0 1
x x x x
y y y y
z z z z
n o a p
n o a pT
n o a p
=
1 122 2 2 2
1 1 1 1
1 10 1
2 2 2 21
1 1 1 1
1
0
0 0( )
0 0 1
0 0 0 1
C Sl
C S C S
S CA
C S C S
l
−
− + +
−
= + + −
1 122 2 2 2
1 1 1 1
1 1
2 2 2 2
1 1 1 1
1
0
0 0
0 0 1
0 0 0 1
C Sl
C S C S
S C
C S C S
l
− + +
−
+ + −
2 2 2 3
2 2 2 3
3
0
0
0 0 1
0 0 0 1
C S C l
S C S l
q
− − −
0 0 0 1
x x x x
y y y y
z z z z
n o a p
n o a p
n o a p
sen(q ) l sen(q q )2 1 3 1 2
y l= + +
z q1 3l= −
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(18)
Para conocer a q2 se lleva el mismo procedimiento que
con q1, solo que ahora se toma la ec. (18) como base, de esa
forma se obtiene lo siguiente:
(19)
De la ec. (19) se despeja a Cos(q2), resultando:
2 2 2 2
3 2
2
1 2
Cos( )2
x yP P l lq
l l
+ − −= (20)
Finalmente, de la ec. (20) se despeja la variable articular
q2, quedando expresada de la siguiente manera:
(21)
Del mismo sistema de matrices representado en la ec.
(18) se puede obtener una ecuación que involucre a q3:
1 3zP l q− = − (22)
Así, la ecuación resultante para la variable articular q3
queda de la siguiente manera:
(23)
2.2.3 Validación de Cinemática en Wolfram
Mathematica
Para verificar los resultados obtenidos de la cinemática
directa e inversa se realizó una simulación en el software
Wólfram 9.0 en donde se colocaron las ecuaciones que
describen el movimiento de las articulaciones, ver Fig. 3,
previamente obtenidas con el algoritmo D-H. En la
simulación se utiliza el comando Manipulación que permite
mover las variables articulares q1, q2 y q3 esto con la
finalidad de ver los límites permisibles del robot de acuerdo
a las dimensiones consideradas para cada uno de los
eslabones, además se añadió el comando de Animación para
visualizar gráficamente un pequeño gif de los movimientos
de todo el brazo robótico. Lo anterior, permitió validar el
cálculo realizado sobre la cinemática del brazo articulado.
Figura 3- Parte del código creado en Wolfram para la validación de la
cinemática del robot.
Mediante el software, se visualizaron los movimientos de
la estructura del robot SCARA en el plano tridimensional,
comprobando así que las articulaciones del robot se lleven
acabo de acuerdo a la configuración planteada, ver Fig. 4.
Figura 4- Resultado de la simulación en Wolfram.
2.3. Diseño en CAD
Utilizando dibujo asistido por computadora,
específicamente con el software SolidWorks, se crearon
cada uno de los componentes del robot articulado.
Figura 5- Diseño mecánico del brazo robótico. a) Base y guías lineales
sobre las que se efectuará un movimiento prismático; b) Eslabones
“brazo” y “hombro” del robot.
2 2 2 2
3 21
2
1 2
Cos2
x yP P l lq
l l
− + − −
=
3 1 zq l P= − a) b)
1 2 1 2 2 1 1 2 2 3 1
2 1 1 2 1 2 1 2 3 1
1
0
0
0 0 1
0 0 0 1
C C S S C S C S l l C
C S C S C C S S l S
l
+ − + − − − + − − − − 0 0 0 1
x x x x
y y y y
z z z z
n o a p
n o a p
n o a p
3
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 q
0 0 0 1
=
( ) ( )( )
2 2 2 2 2 2
3 1 2 2 1 1
1 2 1 2 1 1 2 1
Cos( ) Cos ( ) Sin ( )
2 Cos( )Cos( ) Sin( )Sin( )
x yP P l q q l q q
l l q q q q q q
+ = + + +
+ + + +
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Como primer paso se determinó el diseño de la estructura
para la base del robot, lo siguiente fue trabajar en la
estructura para los brazos, ya que se tenían que colocar
mecanismos para transmitir movimiento mediante correas
dentadas, ver Fig. 5. Finalmente, se le agregó una pinza
como efector final.
Se ensamblaron virtualmente todos los elementos que
formarían parte del robot, esto con la finalidad de descartar
posibles colisiones entre los elementos. El prototipo virtual
final del robot SCARA diseñado se muestra en la Fig. 6.
a) b)
Figura 6- a) Ubicación del robot en mesa de estudio de tiempos y
movimientos de líneas de producción; b) Renderizado del diseño y
ensamblaje de los elementos para el brazo robótico SCARA.
2.4. Fabricación
Teniendo el diseño listo, se comienza con la construcción
del robot. La mayoría de los elementos estructurales se
fabricaron con impresión 3D, con material PLA (Ácido Poli
Láctico) debido a que la resistencia de este material de
fabricación es apta para los esfuerzos generados por el robot.
Posteriormente, se realizó el ensamble de los componentes
de la base, ver Fig. 7, estos fueron diseñados para poder
colocar guías y rodamientos lineales.
Figura 7- Colocación de la base junto con las guias lineales y tornillo
sin fin en el centro de la estructura.
Las guías lineales y el tornillo sin fin permiten obtener la
articulación prismática del brazo. Teniendo la base y la
estructura central ajustadas, se continúa con la colocación de
los brazos, así como los rodamientos y bandas de
transmisión para darles el movimiento a los mismos, además
de la pinza como efector final.
Colocando los motores a pasos en sus lugares
respectivos, así como el servomotor para abrir y cerrar la
pinza que sujetará los objetos, se concluye la etapa de
ensamble del prototipo diseñado, el cual se puede apreciar
en la Fig. 8.
Figura 8- Brazo robótico SCARA ensamblado.
En este punto es importante aclarar que en el esquema de
la Fig. 2 se consideró la articulación prismática a través del
elemento 3, sin embargo, en el diseño final del robot
mostrado en la Fig. 6 dicha articulación es llevada a cabo
sobre la base del robot. Lo anterior, no afecta las ecuaciones
obtenidas en la cinemática dado que el movimiento lineal
que se está llevando a cabo en el eje z por parte del efector
final y ello no influye en las demás variables articulares.
3. Plataforma desarrollada
3.1. Componentes electrónicos
La programación del brazo robótico se realizó con el módulo
ATMEGA-328 que mandaría la señal a los motores a pasos
y servomotores ocupados.
Es posible mandar instrucciones del movimiento al robot
vía Bluetooth y con ayuda de una aplicación desarrollada
especialmente para el brazo. Los componentes electrónicos
principales son los siguientes:
•Motores paso a paso NEMA 17 bipolar, tiene un ángulo de
paso de 1.8º (200 pasos por vuelta) y cada bobinado es de
1.7A a 12V, ver Fig. 9(a). Estos motores, por su
funcionamiento, permiten tener un movimiento más exacto,
además de tener una alta manejabilidad [11].
• Driver para motor a pasos A4988, con el cual se logra hasta
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1/16 de paso. Opera en un rango de 8 a 35 volts y puede
entregar hasta 1A por fase. Este driver es ideal para manejar
motores a pasos bipolares de hasta 2 amperes por bobina de
una manera sencilla mediante los pines digitales de un
microcontrolador, Fig. 9(b).
Figura 9- a) Motor a pasos NEMA 17; b) Driver A4988.
•Tarjeta Arduino UNO esta una placa electrónica basada en
el ATmega328. Cuenta con 14 pines digitales de
entrada/salida (de los cuales 6 se pueden utilizar como
salidas PWM y 6 entradas analógicas), un oscilador de
16MHz, una conexión micro USB, un conector de
alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reinicio, ver
Fig. 10(a).
• Bluetooth HC-05 es un módulo transmisor/receptor TTL.
Permite transmitir como recibir datos a través de tecnología
bluetooth sin conectar cables a los dispositivos a comunicar.
Es compatible con Arduino y se controla mediante
comandos AT por el puerto serie, ver Fig. 10(b).
• Servomotor MG995, este actuador se destaca por su gran
torque, engranajes metálicos y gran robustez. Funciona con
cualquier microcontrolador, ver Fig. 10(c).
Figura 10- a) Tarjeta ARDUINO; b) Módulo Bluetooth; c) Servomotor.
3.2. Interfaz de control
Para la manipulación vía remota se envían las consignas
desde Android a Arduino con Bluetooth. Para ello se diseñó
una aplicación a través de un entorno de desarrollo gráfico
permitido en el programa. Después para la programación se
basa en un lenguaje visual a partir de bloques Java. Se usó
este programa debido a que es libre y se pueden crear apps
Android de una manera rápida y sencilla sin tener muchos
conocimientos de Java. Una vez finalizado el diseño y la
programación de la App, se descarga y se instala en un
dispositivo Android. En la Fig. 11 se observa la interfaz
generada para el control del brazo.
Figura 11- Aplicación diseñada para el control inalámbrico del robot.
3.3. Diagrama esquemático
En la Fig. 12 se muestra el esquema general de los
componentes involucrados en la plataforma robótica
desarrollada. Para su funcionamiento es necesario utilizar
una fuente de alimentación de 12 V para poder así energizar
los motores a pasos.
Debido a que la programación fue desarrollada en
Arduino, se tiene la posibilidad de controlar el brazo desde
un servidor o desde un dispositivo móvil, asignando así
alguna rutina especifica al robot.
Figura 12- Esquemático de los components involucrados en la
plataforma robótica.
3.4. Resultados
En la Fig. 13 se muestra el brazo robótico integrado a las
mesas, las cuales cuentan con bandas transportadoras en los
costados. Dichas mesas son utilizadas para la capacitación
en la medición de tiempos y movimientos de líneas de
producción dentro del laboratorio de Ingeniería Industrial
del Tecnológico Nacional de México Campus Atitalaquia.
La función principal del robot en este entorno es de pick and
place, es decir, tomar y colocar en un punto diferente los
objetos que se transportan en los contenedores de las bandas
transportadoras.
a) b)
a) b) c)
MEMORIAS DEL XXVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM21 AL 23 DE OCTUBRE DE 2020 MORELIA, MICHOACÁN, MÉXICO | FORMATO VIRTUAL
Figura 13- Plataforma robótica desarrollada integrada en las mesas
entrenadoras de línea de producción del laboratorio del Tecnológico de
Atitalaquia.
La Fig 14 muestra un instante de operación de la
plataforma desarrollada. El correcto funcionamiento del
robot brindó mayor flexibilidad a los equipos con los que ya
se contaban en el laboratorio, logrando así tener un sistema
de producción más real al entorno industrial.
Figura 14- Brazo robótico operando en mesa didáctica para tiempos y
movimientos de una línea de producción.
4. Conclusión
El diseño y construcción de un brazo robótico depende en
mucha medida de las características de la aplicación que este
vaya a realizar, asimismo la metodología QFD es muy útil
para el desarrollo de un proyecto de este tipo dado que
permite evaluar adecuadamente los requerimientos de
diseño.
Con la ayuda del análisis cinemático podemos obtener
una aproximación del funcionamiento del robot. La
metodología D-H permite obtener de manera analítica la
cinemática directa e inversa de un robot mediante pasos
claros.
El robot SCARA diseñado y construido es capaz de
cumplir con su función al realizar trayectorias con
movimientos suaves utilizando el control inalámbrico a
través de un dispositivo móvil.
Finalmente, el prototipo obtenido será de gran utilidad
para el uso de las mesas transportadoras de la línea de
producción entrenadora del Instituto Tecnológico de
Atitalaquia y da pauta para que se sigan realizando proyectos
que aporten auto equipamiento a los laboratorios de las
instituciones educativas.
REFERENCIAS
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