FASE 2 CONCEPTUALIZAR ASPECTOS GENERALES DE UN SISTEMA ROBÓTICO ROBÓTI CO
PRESENTADO POR: DUBERNEY LONDOÑO RESTREPO, CÓDIGO: 16554147 ALEXANDER HINCAPIÉ GÓMEZ, CÓDIGO: 16458627 EDUARD SAMBONÍ, CÓDIGO: 94420601
GRUPO: 16
PRESENTADO A: SANDRA ISABEL VARGAS
CURSO: ROBÓTICA
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD PROGRAMA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS MARZO DE 2018
Introducción Luego de revisar los referentes teóricos de la unidad 1, Conceptos generales de sistemas robóticos, se desarrolla, primero, un cuadro con las definiciones de los conceptos que nos introducen a la robótica. Estas definiciones están dadas en la lengua castellana y en la anglosajona. Segundo, se aborda tres temas para la construcción de un robot industrial, tipo brazo antropomorfo seleccionador de objetos. Describimos la configuración mecánica del robot mencionando su estructura, el sistema de accionamiento, el sistema de control y seleccionando su elemento terminal. Pasamos a caracterizar las medidas de los eslabones y del efector, junto con su volumen de trabajo y la capacidad de carga del brazo robótico. Finalmente, en esta parte del tema, se describe la selección de los actuadores y sensores y se muestran sus especificaciones y un precio aproximando en el mercado. Para terminar, hemos buscado un artículo en donde se aborde el tema de ensamble por parte de robots industriales y queda plasmado en este documento su resumen y la referencia al mismo.
Contenido Introducción .................................................................................................................................... 2 Índice de figuras .............................................................................................................................. 4 Índice de tablas ............................................................................................................................... 4 Definiciones de los conceptos desconocidos sobre morfología del robot ...................................... 5 Configuración mecánica del robot .................................................................................................. 7 Estructura mecánica .................................................................................................................... 7 Sistema de accionamiento ........................................................................................................... 7 Sistema de control ....................................................................................................................... 9 Elemento terminal ..................................................................................................................... 10 Medidas, volumen y capacidad ..................................................................................................... 11 Medidas de los eslabones .......................................................................................................... 11 Volumen de trabajo ................................................................................................................... 12 Capacidad de carga.................................................................................................................... 13 Sensores y actuadores ................................................................................................................... 13 Actuador para la base ................................................................................................................ 13 Actuadores para los dos primeros eslabones ............................................................................. 14 Actuadores para el último eslabón y la muñeca ........................................................................ 15 Sensores internos ....................................................................................................................... 16 Sensores externos ...................................................................................................................... 16 Aplicación en robótica .................................................................................................................. 17 Referencias .................................................................................................................................... 19
Índice de figuras Figura 1. Movimiento y estructura. ............................................................................................ 7 Figura 2. Servomotor S3003 ...................................................................................................... 8 Figura 3. Micro-servomotor SG90. ............................................................................................ 9 Figura 4. Microcontrolador Arduino Uno. ............................................................................... 10 Figura 5. Efector final.. ............................................................................................................ 10 Figura 6. Bosquejo del brazo robótico. .................................................................................... 11 Figura 7. Bosquejo de las medidas de los eslabones. ............................................................... 12 Figura 8. Volumen de trabajo del robot en un plano. ............................................................... 12
Índice de tablas Tabla 1. Microcontrolador Arduino Uno ................................................................................... 9 Tabla 2 Servomotor S3004 ....................................................................................................... 13 Tabla 3 Servomotor S3003 ....................................................................................................... 14
Definiciones de los conceptos desconocidos sobre morfología del robot Identificar qué aspectos referentes a la morfología del robot sabe y cuales se desconocen. Selecciona de los siguientes términos, los desconocidos y buscar su significado en las referencias del entorno de conocimiento. Escribir las definiciones en idioma español y en idioma inglés.
Concepto Articulación
Definición en español
Definición en inglés
Son las uniones entre eslabo-
They are the links between
nes, que permiten el movi-
links, which allow movement
miento relativo a dos de estos
relative to two of these links
eslabones Grados de libertad
Hace referencia a cada movi-
It refers to each independent
miento independiente que
movement that a joint can
puede realizar una articula-
make with respect to a pre-
ción con respecto a otra ante-
vious one.
rior. Zona de trabajo
Está definido como cada
It is defined as each point and
punto y al grupo de puntos
the group of points that can
que pueden ser alcanzados
be reached by the end effector
por el efector final Volumen de trabajo
Es similar a la zona de trabajo It is similar to the work area
Sensores internos
Sirven para monitorear el
They serve to monitor the in-
funcionamiento interno del
ternal functioning of the robot
robot y entre estos encontra-
and among these we find po-
mos de posición, velocidad,
sition, speed, acceleration and
aceleración y fuerza.
force
Estos son usados para saber
These are used to know as-
aspectos del entorno del ro-
pects of the environment of
bot, pero, sobre todo, sobre el
the robot, but, above all,
Sensores externos
Actuadores
objeto que se piensa manipu-
about the object to be mani-
lar. Estos pueden ser de con-
pulated. These can be contact
tacto o sin contacto.
or non-contact.
Son un símil a los músculos,
They are a simile to the mus-
es decir, permiten el movi-
cles, they allow the move-
miento del robot. Se compo-
ment of the robot. They con-
nen de una fuente de alimen-
sist of a power supply, a po-
tación, un amplificador de po- wer amplifier, a servomotor tencia, un servomotor y un
and a transmission system.
sistema de transmisión. Eslabón
Son las partes rígidas del ro-
They are the rigid parts of the
bot o elementos estructurales
robot or solid structural ele-
sólidos, se pueden comparar
ments, they can be compared
con los huesos del cuerpo hu- to the bones of the human Efector final
mano
body
Es el componente instalado
It is the component installed
en el extremo del manipula-
at the end of the manipulator.
dor. Es símil con la mano hu-
It is simile with the human
mana. También puede ser una hand. It can also be a tool, herramienta, como un elec-
such as a welding electrode.
trodo de soldadura. Estructura mecánica de un ro- En un robot manipulador, una In a manipulator robot, a se bot
serie de eslabones se unen por ries of links are joined at their sus extremos (resultando en
ends (resulting in the joints)
las articulaciones) formando
forming a kinematic chain
una cadena cinemática en
where, if all the links are
donde, si todos los eslabones
joined at their ends, the chain
se unen por sus extremos, la
is closed, but if they only
cadena es cerrada, pero si
form a "path" the chain is
solo forman un “camino” la
open.
cadena es abierta.
Configuración mecánica del robot Determinar y justificar la configuración mecánica adecuada para el robot a construir, incluyendo el efector final.
Estructura mecánica Está formado por una serie de eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. Estos forman una cadena cinemática abierta. Dichos eslabones se pueden construir con plástico ABS, ya que son fáciles de mecanizar, permiten muy buenos acabados y son autolubricantes (García J. , s.f.). La mecánica guarda cierta similitud con el brazo humano. Los movimientos articulares son de rotación y su estructura es angular (Figura 1), por lo que será un robot antropomorfo con seis grados de libertad (6 GDL) (Barrientos, Peñín, Balayer, & Aracil, 2012).
Figura 1. Movimiento y estructura. Tomado de Fundamentos de robótica.
Sistema de accionamiento El accionamiento es directo (Direct Drive DD), ya que el eje del actuador se conecta directamente a la articulación, sin la utilización de un reductor intermedio. Gracias a esto conseguimos
un posicionamiento rápido y preciso además de una simplificación del sistema mecánico al eliminarse el reductor. Los actuadores son servomotores que emplean energía eléctrica, estos son “un tipo especial de motor con características especiales de control de posición... también, un sistema compuesto por componentes electromecánicos y electrónicos” (García A. , s.f.). Estos vienen con rango de giro limitado, que permiten un rango de rotación de 180° y son los más comunes; pero también los hay de rotación continua, que permiten una rotación completa. Los servomotores de giro limitado se pueden adecuar para que realicen un giro completo, pero siempre es mejor usarlos para el fin que fueron fabricados. Se puede elegir servomotores modelo S3003(Figura 2) y uno modelo S3004, del fabricante Futaba para los movimientos de la base y de los dos primeros eslabones. Para el movimiento del tercer eslabón y de la muñeca se puede usar microservomotores cuyo modelo es el SG90 (Figura 3) de TowerPro. Estos son livianos, pequeños y con la potencia adecuada.
Figura 2. Servomotor S3003. Imagen tomada de: https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-449011792-futaba-s3003-servoestandar-2sets-pack-uso-rc-servos-su-_JM
Figura 3. Micro-servomotor SG90. Imagen tomada de: https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-455025299-servomotor-microservo-sg90-arduino-robotico-aeromodelo-w01-_JM
Sistema de control El sistema de control está formado por un microcontrolador Arduino Uno que utiliza un microprocesador ATMEGA328 del fabricante Atmel. Éste, recibe a través del puerto serie el mensaje enviado por el programa de simulación y establece el comportamiento correspondiente de los servomotores y micro-servomotores. Las principales características del microcontrolador se pueden ver en la Tabla 1. Tabla 1. Microcontrolador Arduino Uno
Microprocesador Tensión de funcionamiento Voltaje de entrada (recomendada) Voltaje de entrada (límites) Entradas/salidas digitales Entradas analógicas Memoria Flash SRAM EPROM Velocidad de reloj
ATMEGA328 5V 7-12V 6-20V 14 6 32KB (ATMEGA328) 2KB (ATMEGA328) 1KB (ATMEGA328) 16MHz
Figura 4. Microcontrolador Arduino Uno. Imagen tomada de: https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-458240443-arduino-uno-r3-smdatmega328-atmega-sin-cable-usb-_JM
Elemento terminal Como efector final se ha dispuesto de una pinza, que será la encargada de interaccionar directamente con el entorno del robot. La pinza será accionada por uno de los micro-servomotores y será una pinza de mecánica simple, la cual utiliza dos dedos mecánicos para sujetar las piezas. Para sostener las piezas, los dedos de la pinza se acercan uno al otro, hasta que estos comprimen la pieza y logran sujetarla.
Figura 5. Efector final. Imagen tomada de: Diseño propio y Construcción de un Brazo Robótico de 5 GDL.
Medidas, volumen y capacidad Determinar las medidas de los eslabones, bosquejar el volumen de trabajo estimado y la capacidad de carga del robot según las medidas del producto a ensamblar.
Medidas de los eslabones Las medidas de los eslabones son: Base: 8 cm de alto, 8 cm de ancho y el punto de anclaje con el primer eslabón está a 6 cm de altura y 4 cm de ancho. Eslabón 1: 25 cm de largo, desde los puntos de anclaje: 18 cm de largo. Eslabón 2: 17 cm de largo, desde los puntos de anclaje: 12 cm de largo. Eslabón 3: 11 cm de largo, desde los puntos de anclaje: 9 cm de largo Efector final: 9 cm de largo
Figura 6. Bosquejo del brazo robótico.
Con estas medidas, la longitud máxima para el brazo estirado hacia cualquiera de los dos lados es de 52 cm desde el inicio del primer eslabón y de 48 cm desde el primer punto de anclaje. La longitud máxima para el brazo estirado hacia arriba es de 54 cm desde el inicio de la base y de 48 cm desde el primer punto de anclaje (Figura 7).
Figura 7. Bosquejo de las medidas de los eslabones.
Volumen de trabajo El volumen de trabajo está dado por los puntos máximos de alcance del efector final, se muestra el bosquejo en la Figura 8.
Figura 8. Volumen de trabajo del robot en un plano.
Capacidad de carga Se espera que la capacidad de carga sea de hasta 500 gramos.
Sensores y actuadores Determinar y justificar las especificaciones de los sensores y actuadores requeridos para cada una de las articulaciones, adjuntar las referencias de los mismos, y si es posible una cotización.
Actuador para la base Se usa un servomotor modelo S3004 de la marca Futaba, que se consigue en el mercado a aproximadamente $81817. Las especificaciones se muestran en la Tabla 2. La selección se hace por el ángulo de rotación, que es de 180 ° y porque su esfuerzo es suficiente para rotar todo el brazo robótico. Tabla 2 Servomotor S3004
Características
Relación
Modulación
Análogo
Esfuerzo de torsión
4.8V: 44.00 oz-in (3.17 kg-cm) 6.0V: 57.00 oz-in (4.10 kg-cm)
Velocidad
4.8V: 0.23 seg / 60 ° 6.0V: 0.19 seg / 60 °
Peso Dimensiones
1.31 oz (37.0 g) Largo: 1.57 in (39.9 mm) Ancho: 0.79 in (20.1 mm) Altura: 1.42 in (36.1 mm)
Tipo de motor
3 polos
Tipo de engranaje
Plástico
Rango de rotación
180 °
Tipo de conector
J
Precio aproximado
$81817 Precio tomado de: https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO462187413-servo-motor-futaba-s3004s-tandard-bola-de-cojinetel94-_JM
Actuadores para los dos primeros eslabones Para conseguir el movimiento de los dos primeros eslabones se usarán servomotores S3003 del fabricante Futaba, estos tienen un bajo peso y una buena relación de torque. Sus especificaciones se pueden ver en la Tabla 3. También se puede ver allí su precio en el mercado. Tabla 3 Servomotor S3003
Características
Relación
Modulación
Análogo
Esfuerzo de torsión
4.8V: 44.00 oz-in (3.17 kg-cm) 6.0V: 57.00 oz-in (4.10 kg-cm)
Velocidad
4.8V: 0.23 seg / 60 ° 6.0V: 0.19 seg / 60 °
Peso Dimensiones
1.31 oz (37.0 g) Largo: 1.57 in (39.9 mm) Ancho: 0.79 in (20.1 mm) Altura: 1.42 in (36.1 mm)
Ciclo de pulso
30 ms
Ancho de pulso
500 – 3000 µs
Tipo de engranaje
Plástico
Rango de rotación
180 °
Tipo de conector
J
Precio aproximado
$131400
Precio tomado de: https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO449011792-futaba-s3003-servo-estandar-2sets-pack-uso-rc-servossu-_JM
Actuadores para el último eslabón y la muñeca Para conseguir el movimiento angular del tercer eslabón y el movimiento de rotación de la muñeca se usarán microservomotes modelo SG90 del fabricante Tower Pro. Estos actuadores son ideales por si bajo peso, pequeñas dimensiones, es económico, bajos requerimientos de energía y encaja perfectamente en la mayoría de los receptores de radio control incluyendo los Futaba. Las especificaciones se muestran la
Características
Relación
Modulación
Análogo
Esfuerzo de torsión Velocidad Peso Dimensiones
4.8V: 25.00 oz-in (1.80 kg-cm) 4.8V: 0.12 seg / 60 ° 0.32 oz (9.0 g) Largo: 0.91 in (23.0 mm) Ancho: 0.48 in (12.2 mm) Altura: 1.14 in (29.0 mm)
Tipo de motor
3 polos
Ancho de pulso
500 – 2400 µs
Tipo de engranaje
Plástico
Rango de rotación
180 °
Tipo de conector
“S” compatible con la mayoría de receptores incluyendo Futaba
Largo del cable
25 cm aproximadamente
Voltaje de funcionamiento
3.0 – 7.2 V
Temperatura de funciona-
-30 ℃ ~ 60 ℃
miento Precio aproximado
$9300
Precio tomado de: https://electronilab.co/tienda/micro-servo9g-towerpro/
Sensores internos Para conocer la posición angular se usará encoders rotativos - Iluminados (RGB), modelo SEN 0324, que tiene rotación completa sin límite. Sus características son: Cambio: 0,5 mm, Diámetro del eje: 6,0 mm, Longitud del eje: 18 mm, Agujero vertical de montaje, 24 pulsos por rotación, LED Rojo / Verde / Azul (RGB) y Pulsador. Estos encoders son pequeños, livianos y de fácil instalación. El precio en el mercado es de aproximadamente $17.000 (precio sugerido de http://tdrobotica.co/encoder-rotativo-iluminado-rgb/113.html). Para conocer la velocidad de movimiento articular se usarán los mismos encoders.
Sensores externos Se usará en sensor de capacitancia como sensor de proximidad y de tacto. Este nos servirá para identificar cuando ha cogido las partes del celular y para identificar en donde se encuentran cada una dentro de la caja. El sensor será un Capacitivo MPR121 - 12 Canales Modelo SEN_0590, con las siguientes características ()
Características Interfaz Cantidad de electrodos tácti-
Relación 12C 12 y 1 simulado
les Cantidad de LEDs que
8
puede controlar Voltaje de operación Dirección I2C por defecto Rango de temperatura Dimensiones
2.5-3.6VDC 0x5A -40°C a +85°C 33mm x 19mm x 2mm / 1.3 "x .8" x .1 "
Peso
2.2g
Precio aproximado
$36000 Precio tomado de: http://tdrobotica.co/sensor-capacitivompr121-12-canales/590.html
Aplicación en robótica Investigar una aplicación de la robótica en la industria en el área de ensamble de productos. Esta investigación debe realizarla buscando un artículo científico en las bases de datos de la bi blioteca virtual de la Universidad Nacional abierta y a Distancia. Realizar un breve resumen del artículo El artículo escogido es “ Ensamblaje automático de piezas con desviaciones dimensionales ” en el que se muestra un estudio sobre el ensamblaje de piezas para la construcción de faros para automóviles. Inicialmente se presenta el problema, que consiste en disminuir la cantidad de piezas defectuosas al no cumplir con las especificaciones y sorteando las dificultades que se presentan al ensamblar partes que tienen variaciones geométricas. En este sentido, en el artículo se resuelve el problema al contribuir en el desarrollo de una nueva metodología para el ensamble de piezas con desviaciones dimensionales. En la formulación de problema se representa este desde el campo matemático dando puntos de referencia a los componentes y estableciendo la matriz de transformación que se usará para definir los comandos del control del sistema de actuación. Posterior a ello se describe el hardware a ser utilizado, haciendo mención a los sistemas de actuación, sensores de medición y de posición para un robot con 6 grados de libertad que debe realizar movimientos precisos con pequeños movimientos y no deben dañar la pieza, esto teniendo en cuenta que debe deformar las piezas para su ensamble. Pero además el robot debe ser lo suficientemente robusto para ser im plementado en una cadena industrial. Se pasa a proponer el algoritmo de control para el ensamblaje dinámico de piezas, este algoritmo debe vencer la no linealidad del sistema, la variación de las piezas, que no sea únicamente
para un tipo de faro y que tenga en cuenta los actuadores y sensores usados. Finalmente se muestran los resultados de las pruebas en laboratorio y a nivel industrial en el ensamblaje de 5000 faros. Referencia Gámez García, J., Sánchez García, A., Satorres Martínez, S., & Gómez Ortega, J. (2012). Ensamblaje automático de piezas con desviaciones dimensionales. Revista Iberoamericana De Automática E Informática Industrial RIAI , 9383-392.
doi:10.1016/j.riai.2012.09.006, Recuperado de: https://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2571/S1697791212000647/1-s2.0-S1697791212000647main.pdf?_tid=b4f34530-6872-4c37-b0f0-d1ad3af7a819&acdnat=1521169664_28177a46de8abdb2422cbb503148d1e0
Referencias Barrientos, A., Peñín, L., Balayer, C., & Aracil, R. (2012). Fundamentos de robótica (Segunda ed.). (C. Sánchez, Ed.) Madrid, España: McGRAW-HILL/INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S. A. U. El profe García. (14 de 05 de 2014). Como funciona un ServoMotor (Tutorial) Serve . Obtenido de https://www.youtube.com/watch?v=llNoXMyzjYw García, A. (s.f.). ¿Qué es y cómo funciona un servomotor? Recuperado el 02 de 03 de 2018, de http://panamahitek.com: http://panamahitek.com/que-es-y-como-funciona-unservomotor/ García, J. (s.f.). Robótica. Recuperado el 02 de 03 de 2018, de http://sfproyectoiprobotica.blogspot.com.co: http://sfproyectoiprobotica.blogspot.com.co/p/fabricacion-y-funcionamiento-basicode.html González, V. (2003). Estructura de un robot industrial . Recuperado el 02 de 03 de 2018, de http://platea.pntic.mec.es/vgonzale/cyr_0204/ctrl_rob/robotica/sistema/morfologia.htm González, V. (s.f.). 5.4 Robots industriales . Recuperado el 02 de 03 de 2018, de http://platea.pntic.mec.es/vgonzale/cyr_0708/archivos/_15/Tema_5.4.htm López, J. (2007). Construcción de un brazo robótico . Obtenido de YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=p6u5-cqAsm0 Martínez, G., Jáquez, S., Rivera, J., & Sandoval, R. (s.f.). Diseño propio y Construcción de un Brazo Robótico de 5 GDL , Vol. 4 No. 1, JULIO 2008. (REVISTA DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y COMPUTACIÓN) Recuperado el 02 de 03 de 2018, de http://www.itson.mx/publicaciones/rieeyc/documents/v4/art2junio08.pdf ServoDatabase.com. (s.f.). Futaba S3004 - Servo estándar de rodamiento de bolas . Recuperado el 10 de 03 de 2018, de https://servodatabase.com/servo/futaba/s3004
