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TESINA
REPARACION DE BRAZO ROBOTICO CRS A465 E
INTERFAZ GRAFICA EN LABVIEWY PIC18F4550.
QUE PRESENTA
C. JESUS ANTONIO TIBURCIO MEJIA
EN CUMPLIMIENTO PARCIAL DE LA
ESTADÍA PRÁCTICA DE
INGENIERÍA MECATRÓNICA
ASESOR ACADÉMICO
DR. JOSE VICTOR NUÑEZ NALDA
ORGANISMO RECEPTOR
ING. SAMUEL ANGULO MORENO
Mazatlán, Sin. 11 de Diciembre de 2016
ii
iii
iv
DEDICATORIAS
A todas aquellas personas que siempre me apoyaron para poder realizar esta
meta, a mi familia y amigos que siempre estuvieron presentes cuando los necesite,
en especial a mi madre Rosario y mi padre Mario que siempre estuvieron conmigo
en todo momento y me ayudaron afrontar los problemas, sin ellos no hubiera logrado
este sueño, les agradezco por su confianza, siempre supieron que seria alguien
importante en la vida a ustedes les dedico este logro.
A mis hermanos, por su apoyo constante en el material didáctico. Les
agradezco por su apoyo constante. A ustedes les dedico este logro.
.
v
AGRADECIMIENTOS
Ante todo le agradezco a mi familia por confiar en mí y me dieron la
oportunidad de continuar mis estudios, siempre estuvieron presentes aunque fue
difícil, les agradezco demasiado por haber logrado esto que también es de ustedes.
A mis compañeros que me apoyaron en todo momento, en especial Marco
Quevedo, Omar Patrón, Carlos Mendoza, Josué Loaiza, Alejandro Salas, Fernando
Fonseca, Jorge Rochin y Miguel Patron, gracias por su apoyo en todo momento y
agradecerles que siempre fuimos unidos y juntos salimos adelante.
A la Universidad Politécnica de Sinaloa por ser el organismo receptor y
brindarnos sus instalaciones para la realización del proyecto, así como al Instituto
Tecnológico de Mazatlán por las facilidades otorgadas. De igual forma agradecer
por sus atenciones a mi asesor el Ing. Samuel Angulo Moreno por tenerme esa
confianza de poder lograr mis objetivos dentro del proyecto y darnos las facilidades
para salir adelante.
vi
RESUMEN
REPARACION DE BRAZO ROBOTICO CRS A465 E INTERFAZ GRAFICA
MENDIANTE VISUAL BASIC Y PIC18F4550
Jesus Antonio Tiburcio Mejía.
Unidad Académica de Ingeniería Mecatrónica
Universidad Politécnica de Sinaloa
Mazatlán, Sinaloa, diciembre 2016
Asesor: Dr. José Víctor Núñez Nalda
En la presente tesina se informará al lector cómo fue posible la reparación de
un brazo robótico CRS A465, y a su vez, el control de este mediante Labview junto
con el PIC18F4550. En primer lugar, se tiene que analizar cuál es la problemática
de este brazo robótico, para de esta forma saber qué soluciones poder brindar sin
complicarse durante el proyecto y conseguir el equipo y material necesario para
cumplir el objetivo principal, el cual es reparar el brazo. Esta información se divide
en 5 partes, siendo la última las conclusiones.
En el primer capítulo se hace descripción del planteamiento del problema del
sistema robótico, en donde se describe en general dicho sistema; en el segundo
apartado se describe el marco teórico, donde se desarrolla la teoría a fundamentar
del proyecto y también la tarjeta de control de este sistema; en el tercer capítulo se
describe todo lo realizado durante este proyecto, desde la identificación de la
problemática hasta la solución, junto con la nueva interfaz para el control de dicho
sistema; para el cuarto capítulo se discutirá y analizara los resultados adquiridos; y
para el quinto capítulo las conclusiones y trabajos a futuros de dicho proyecto.
vii
ÍNDICE
ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………………… ix
ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………………………. x
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………........
2
CAPÍTULO 1: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………..………………… 4
1.1 JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA…………………………………………….. 5
1.2 OBJETIVOS……………………………………………………………………….. 5
1.2.1 Objetivo General………………………………………………………………... 5
1.2.2 Objetivos Específicos………….……………………………………………….. 5
1.3 HIPÓTESIS………………………………………………………………………… 6
1.4 RECURSOS……………………………………………………………………….. 7
CAPÍTULO 2: MARCO
TEÓRICO…………………………………………………...
8
2.1 ROBOTICA………………………………………………………………………… 9
2.2 BRAZOS ROBOTICOS……………………………………………………… 10
2.2.1 TIPOS DE BRAZOS ROBOTICOS………………………………………… 12
2.2.2 APLICACIÓN EN LA VIDA REAL…………………………………… 14
2.3 DESCRIPCION DEL BRAZO ROBOTICO…………………………….. 15
2.4 DESCRIPCION DEL SISTEMA DE CONTROL EXISTENTE………….. 18
CAPÍTULO 3: DESARROLLO DEL PROYECTO ………...
22
3.1 REVISION DE TARJETAS ELECTRONICAS DEL
BRAZO….…………………………………………………………………………….
23
3.2 DISEÑO DE LOS CIRCUITOS EN VISIO………………….. 25
3.3 PRUEBAS CON LOS CIRCUITOS
EXISTENTES…………………………………..
30
3.4 DECISION FINAL PARA SOLUCIONAR EL PROBLEMA……………….. 30
3.5 DISEÑO DE NUEVO SISTEMA DE CONTROL……………………….. 31
3.5.1 ¿PORQUE USAR EL PIC18F4550?.......................................................... 32
3.6 INTERFAZ GRAFICA PARA NUEVO SISTEMA DE CONTROL.
………………………………………………..
33
3.6.1 SIMULACION EN PROTEUS DE ENVIO DE BYTES
………………………………………………………
33
3.6.2 PROGRAMACION EN PIC C PARA ENVIO DE BYTES
…………………………………………………….
34
3.6 .3 PROGRAMACION EN LABVIEW PARA ENVIO DE
BYTES……………………………………………………………………………
35
CAPÍTULO 4: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS……………………
38
4.1 SOBRE LAS TARJETAS …………………………………… 39
4.2 SOBRE LA SOLUCION DEL PROBLEMA………………………………….. 39
4.3 SOBRE LA INTERFAZ GRAFICA…………………………………….. 39
viii
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS…………………….
40
BIBLOGRAFIA…………………………………………………………………………
42
GLOSARIO……………………………………………………………………….. 43
ANEXOS………………………………………………………………,………. 46
ix
ÍNDICE DE FIGURAS.
Figura 2.1 Robot Nao desarrollado por Aldebaran Robotics.…………….. 9
Figura 2.2 Sistema robótico industrial……………………………….. 10
Figura 2.3 Esquema cinemático de un robot cartesiano…….……..…….. 12
Figura 2.4 Esquema cinemático de un brazo SCARA. ……..……… 13
Figura 2.5 Robot articulado KUKA. …..……..……..……..……..…….. 13
Figura 2.6 Brazos robóticos en industria automotriz……………………… 14
Figura 2.7 Brazo robótico CRS A465…………………………………….. 15
Figura 2.8 Brazo robótico CRS A465……………………………………… 15
Figura 2.9 Imagen del brazo original……..……..……..……..………………….. 17
Figura 2.10 Etapa de alimentación controlador C500. ……..……..……. 19
Figura 2.11 Etapa de aislamiento controlador C500.……..……....…….. 20
Figura 2.12 Etapa de control, Unidad C500C.……………………… 21
Figura 2.13 Software exclusivo para programar el A465…….……..…… 21
Figura 3.1 Gabinete de control antes de ser desarmado..……..……..…… 23
Figura 3.2 Gabinete desarmado donde se observan las tarjetas
electrónicas……………………………………………….
24
Figura 3.3 Salida de voltajes del banco de
capacitores……………………………….
25
Figura 3.4 Tarjeta PWM y sus salidas para el control de
motores………………….
26
Figura 3.5 Etapa de alimentación para el
brazo..……..,………………………………
27
Figura 3.6 Entrada hembra del
brazo.………………………………………………….
28
Figura 3.7 Entrada macho del
brazo.…………………………………………………….
29
Figura 3.8 Etapa de alimentación en
funcionamiento...……..……..………………
30
x
Figura 3.9 Diagrama para el diseño del puente
h……………………………………
32
Figura 3.10 Diagrama de pines del Microcontrolador
18F4550………………….
32
Figura 3.11 Simulación para envío de
datos………………………………………..
34
Figura 3.12 Interfaz de programación en Pic
C…………………………………….
35
Figura 3.13 Diagrama de bloques de la
simulación……………………………….
35
Figura 3.14 Panel frontal de la
simulación……………………………………………
36
Figura 3.15 Entrada USB del
microcontrolador…………………………………….
36
Figura 3.16 Circuito de prueba
completo……………………………………………
37
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Ejecución básica y criterios de un robot………………. 11
Tabla 2.2. Caracteristicas del robot CRS A465,…………………… 16
Tabla 2.3. Especificaciones de rendimiento del robot CRS A465… 16
Tabla 2.4. Especificaciones para las juntas del robot…………….. 17
2
INTRODUCCIÓN
Actualmente el Instituto Tecnológico de Mazatlán (ITMAZ) cuenta con una
gran variedad de prototipos didácticos para el aprendizaje del alumno en el área de
mecánica; dentro de estos prototipos se encuentra un brazo robótico CRS A465 de
6 grados de libertad. Esta es una gran herramienta para que los alumnos puedan
tener conocimiento en el manejo y programación de robots. Es decir que el alumno
podrá aprender a posicionar el robot en sus diferentes configuraciones y también
programar algunas tareas simples, por ejemplo, el uso de este robot para transportar
objetos de un lugar a otro, el cual es una actividad muy común dentro de la industria
con estos robots.
A pesar de que se cuenta con esta gran herramienta, el problema que se
tiene es que no funciona correctamente, y esto ha hecho tener a esta herramienta
en años sin uso y delimitando el aprendizaje del estudiante.
Debido al problema que existe con este robot, los alumnos de esta área han
perdido el interés por aprender sobre robótica, ya que la teoría es importante pero
la practica tiene más auge debido a que aquí se aplica la teoría estudiada.
Hoy en día, los robots manipuladores, son factor importante dentro de una
industria ya que estos realizan tareas específicas en los sistemas mecatrónicos. Es
por eso que el uso de los servomotores es muy común en los brazos robotizados
ya que permiten una manipulación precisa de los movimientos del robot, siendo así
parte de las articulaciones de estos.
Es por esto que en el presente proyecto nos enfocaremos en reparar el brazo
en mención para que los alumnos vuelvan a tomar interés en la robótica. Se
3
mencionará las soluciones que se propuso tanto del asesor externo como el del
alumno.
Lo que se pretende analizar es el sistema de control de este brazo, debido a
que el problema existe dentro de este sistema. En segunda instancia, se pretende
dar solución con el material que existe, es decir, no desperdiciar los componentes
con que cuenta este robot.
Otra solución que se propone, es diseñar un nuevo sistema de control, esto
para un futuro remplazo del controlador C500, que es el controlador de estos brazos.
Siendo así que esta segunda opción haría un sistema de control más pequeño a
diferencia del que existe, ya que este robot tiene componentes que hoy en día es
sustituido por uno solo.
Otro de los puntos fuertes para este sistema, es la creación de una nueva
interfaz HMI con el uso de Labview y el pic18F4550. Esto facilitara el uso del brazo
para el alumno, además de que el alumno podrá desarrollar una mejora o un nuevo
programa mediante el uso de este software, ya que gracias a la comunicación que
existe con el microcontrolador en mención, hace posible que el programa de
ejecución y accionamiento del brazo, pueda ser modificado. Esto traerá consigo más
conocimientos para el alumno.
4
5
1.1 JUSTIFICACION DEL PROBLEMA.
El desarrollo de este proyecto es muy importante debido a que es un robot
funcional para el aprendizaje del alumno, lo inconveniente es que no funciona
correctamente debido a una falla electrónica. La ventaja que existe es que puede
reparar. Cabe resaltar que, si se repara este brazo robótico, se podrá utilizar para
enseñar y manipular el funcionamiento de un robot industrial, ya que este prototipo
es un robot didáctico, que se utilizaría para aprender el uso de estos en la industria.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo general.
El objetivo general consiste en dar solución y reparar a la falla electrónica
que existe en el brazo CRS A465 que impide el funcionamiento correcto de este
robot para que el alumno pueda usarlo de manera didáctica para su aprendizaje.
1.2.2 Objetivos específicos.
Investigar y obtener la información del brazo robótico CRS-A465.
Verificar cuales son las tarjetas electrónicas que funcionen y cuáles son
las dañadas.
Reparar las tarjetas dañadas (en caso que tenga alguna solución).
Diseñar las tarjetas dañadas (en caso que no se puedan reparar).
Desarrollar una interfaz entre el dispositivo y usuario.
6
1.3 HIPOTESIS.
En relación al planteamiento de la hipótesis, se considera pertinente
establecer que el brazo robótico es una herramienta que constituye un aprendizaje
significativo para que el alumno obtenga el interés por la robótica y también sepa
cómo funciona un brazo un robótico para aplicación industrial.
Por lo tanto, el planteamiento de la hipótesis es:
El interés por el alumno hacia la robótica es mayor cuando se emplean
estrategias didácticas basado en el uso de tecnologías o robots.
La utilización de este tipo de estrategias permite adquirir más
aprendizajes efectivos que le propicie una mejor capacidad de
interpretación en la industria.
La aplicación de la estrategia tiene un grado de aceptación por los
alumnos buena ya que podrán realizar actividades similares a lo de una
industria, siendo un ejemplo, la transportación de un objeto mediante el
brazo robótico a una banda transportadora.
7
1.6 RECURSOS.
Para el desarrollo del proyecto se requirió de diversos recursos tanto
humano como material. Para el caso material fue necesario el equipo de trabajo
conformado por Marco Quevedo, Marco Zatarain, Omar Patrón y su servidor
Antonio Tiburcio; profesores de tiempo completo, Dr. Víctor Nalda y Dr. Alejandro
Lizárraga; así como el asesor externo Ing. Samuel Angulo y el profesor de
asignatura Ing. Rolando Lizárraga. En relación al recurso material y de equipo, se
contó con:
Informacion diversa del brazo robotico CRS A465 (aunque fue escasa).
Componentes electrónicos.
Software para el desarrollo de interfaz grafica: Labview, Pic C, Mikro C,
Visual basic.
Simuladores de electrónica: Proteus y LiveWire.
Microsoft Office: Word, Excel, Power Point.
Uso de equipo electrónico de medición (multímetros, protoboards,
osciloscopios, etc) para la parte de pruebas.
8
9
2.1 ROBOTICA.
Según El “Robot Institute of America” (RIA), un robot es “un manipulador
reprogramable, multifuncional, diseñado para mover materiales, partes,
herramientas y objetos especiales a través de movimientos programados variables
para el cumplimiento de una variedad de tareas” [SPONG, 1993].
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, durante los siglos XVII y XVIII fueron construidos en Europa
ingeniosos muñecos mecánicos que tenían algunas características de robots.
Esencialmente se trataba de robots mecánicos diseñados para un propósito
específico: la diversión. Estas creaciones mecánicas de forma humana deben
considerarse como invenciones aisladas que reflejan el genio de hombres que se
anticiparon a su época.
Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los primeros
robots en la década de 1950. La investigación en inteligencia artificial, por ejemplo.
Actualmente, el concepto de robótica ha evolucionado hacia los sistemas
móviles autónomos, que son aquellos que son capaces de desenvolverse por sí
mismos en entornos desconocidos y parcialmente cambiantes sin necesidad de
supervisión.
Figura 2.1 Robot Nao desarrollado por Aldebaran Robotics.
10
2.2 BRAZOS ROBOTICOS.
Los brazos robóticos son considerados típicos representantes de la
mecatrónica, los cuales integran aspectos de manipulación, sensado, control y
comunicación. Raramente se encuentra una variedad comparable de tecnologías y
disciplinas científicas enfocadas a la funcionalidad y ejecución de un sistema como
en el desarrollo y aplicación de un robot. La robótica integra el estado del arte de
varias tecnologías de punta como se muestra en la figura 1.2.
Figura 2.2 Sistema robótico industrial.
El parámetro con el mayor impacto en la complejidad, costo y apariencia del
robot es su número de ejes independientes, esto es, los grados de libertad. Estos
11
son dados por estructuras predefinidas y trayectorias espaciales que el efector final
del robot debe seguir. La tabla 1.1 muestra los criterios de ejecución y funcionalidad
típicos de un robot.
Tabla 2.1. Ejecución básica y criterios de un robot.
12
2.1.1 Tipos de brazos robóticos.
Los brazos robóticos se pueden dividir en estos diferentes tipos, estos son
los más comunes en la industria:
a) Robot de coordenadas cartesianas.
Es un robot industrial cuyos tres ejes principales de control son lineales (se
mueven en línea recta en lugar de rotar) y forman ángulos rectos unos respecto de
los otros. Además de otras características, esta configuración mecánica simplifica
las ecuaciones en el control de los brazos robóticos. Los robots de coordenadas
cartesianas con el eje horizontal limitado y apoyado en sus extremos se
denominan robots pórtico y normalmente son bastante grandes.
Figura 2.3 Esquema cinemático de un robot cartesiano.
b) Robot SCARA.
Es un robot de cuatro grados de libertad con posicionamiento horizontal. Los
Robots SCARA se conocen por sus rápidos ciclos de trabajo, excelente
repetitividad, gran capacidad de carga y su amplio campo de aplicación.
13
Figura 2.4 Esquema cinemático de un brazo SCARA.
c) Robot articulado.
Un robot articulado es un robot cuyo brazo tiene alguna articulación rotatoria.
Son accionados por distintos medios, como pueden ser motores eléctricos, o
sistemas neumáticos.
Figura 2.5 Robot articulado KUKA.
En el proyecto este nos enfocamos en un sistema articulado por acción de
servomotores DC, ya que es que se nos facilitó para la reparación y optimización de
este.
14
2.1.2 Aplicaciones en la vida real.
La implantación de un robot industrial en un determinado proceso exige un
detallado estudio previo del proceso en cuestión, examinando las ventajas e
inconvenientes que conlleva la introducción del robot. Será preciso siempre estar
dispuesto a admitir cambios en el desarrollo del proceso primitivo (modificaciones
en el diseño de piezas, sustitución de unos sistemas por otros, etc.) que faciliten y
hagan viable la aplicación del robot.
Trabajos en fundición
Soldadura
Aplicación de materiales
Aplicación de sellantes y adhesivos
Alimentación de máquinas
Procesado
Corte
Montaje
Control de calidad
Manipulación en salas blancas
En cuanto al tipo de robot a utilizar, habrá que considerar aspectos de
diversa índole como espacio de trabajo, velocidad de carga, capacidad de control,
coste, etc.
Figura 2.6 Brazos robóticos en industria automotriz.
15
2.3 DESCRIPCION DEL BRAZO ROBOTICO.
En este capítulo pondremos todo lo que sabemos hasta el momento del brazo
robótico (Figura 2.1)
Figura 2.7 Brazo robótico CRS A465
El robot se trata de un industrial pequeño A465, el cual contiene operación de
6 grados de libertad, las articulaciones son servo drive D.C.; además está
conformado por 3 partes como son el brazo robótico articulado, el controlador y el
Teach Pendant o el control de movimientos.
El brazo articulado A465 está constituido de 5 componentes: cadera, hombro, codo,
muñeca, rotador y pinza.
A continuación, se muestra un dibujo grafico del robot manipulador:
Figura 2.8 Brazo robótico CRS A465
16
Para poder reparar el brazo es necesario conocer las especificaciones del robot, a continuación, se muestran algunas tablas con las principales características.
Tabla 2.2 Características del robot CRS A465 Configuración Del brazo robótico
Articulado
6 grados de libertad
Movimiento vertical, invertido y en carril
Drivers Servomotores
Encoders con sensores de proximidad en cada junta
Transmisión Accionamientos armónicos y correas dentadas
Punta de brazo Conector neumático
Pinza
C500C Circuito E-stop integrado
Seguridad del controlador Detección continua de fallos
Tabla 2.3 Especificaciones de rendimiento del robot CRS A465 Carga útil nominal 2 Kg nominal 4.4 lb
Alcance (Sin pinza) 711 mm 28.0 in
Alcance (con pinza) 864 mm 34.0 in
Repetibilidad ± 0.05 mm ± 0.002 in
Peso 31 kg 68.2 lb
17
Tabla 2.4 Especificaciones para las juntas del robot Eje Rango de trabajo Máxima Velocidad
J1 (cintura) ± 175° 180°/segundo
J2 (hombro) ± 90° 180°/segundo
J3 (codo) ± 110° 180°/segundo
J4 (rotación de la muñeca) ± 180° 171°/segundo
J5 (Tono de la muñeca) ± 105° 173°/segundo
J6 (rodillo de la muñeca) ± 180° 171°/segundo
En las tablas anteriores, se pueden observar todas las especificaciones del brazo A465.
Figura 2.9 Imagen del brazo original
18
2.4 DESCRIPCION DEL SISTEMA DE CONTROL EXISTENTE.
Generalmente los sistemas robóticos son compuestos de 2 módulos
principales, los cuales son: el manipulador, constituido del mecanismo manipulador,
elementos de actuación y los sensores internos, adaptados en su cuerpo con la
finalidad de proporcionar informaciones relativas al movimiento de los enlaces del
manipulador y el de las fuerzas que se desenvuelven; y el gabinete de control,
donde se concentran los módulos de alimentación y control del robot; en este
módulo, pueden estar también, elementos de interfaz con el usuario, por ejemplo,
para programación del robot. Además, cuenta con varios accesorios que hacen
parte del sistema, como la terminal de programación (“Teaching box”), órganos
terminales (“end effector”) especiales, accesorios de apoyo a la programación del
robot, elementos de censado, entre otros elementos.
El controlador C500 del brazo robótico CRS A465 consta de 3 partes o
etapas: etapa de transformación, etapa de potencia y la etapa de control.
La etapa de transformación, es la encargada de producir el voltaje y
amperaje necesario para el funcionamiento del robot, de sus motores y de las
siguientes etapas, en esta sección del controlador se realiza la transformación y
acoplamiento de voltaje proveniente de la alimentación trifásica.
Se trata de una fuente de alimentación lineal, conformada por el esquema básico
de este tipo de dispositivos; transformador, rectificador, filtro, regulación y salida
como se puede apreciar en la figura 2.11.
En una ubicación lateral a la fuente encontramos las tarjetas de potencia
para los motores, estas tarjetas son dos para los cuatro servos motores, son las
encargadas de brindar los requerimientos energéticos a los motores y básicamente
se trata de circuitos de alimentación conmutada, es decir trabaja con transistores
en conmutación para obtener los requerimientos de energía de los motores.
19
Figura 2.10 Etapa de alimentación controlador C500
La segunda etapa es la de potencia, es la encargada del aislamiento y
acoplamiento entre la sección de alimentación y la etapa de control, básicamente
su función es brindar un acoplamiento entre etapas por medio de opto acopladores.
También brinda la seguridad necesaria para la correcta operación de la tarjeta de
control, ya que protege a esta de posibles cortos circuitos. Cabe señalar también
que en esta tarjeta se tienes circuitos integrados que realizan diversas funciones
como la ya mencionada.
En la segunda etapa también se realiza el aislamiento, encardado de
brindar acoplación entre las etapas especialmente con la etapa de control que es
susceptible a corrientes parasitas que pueden impedir el adecuado funcionamiento
del circuito de control, así como sobre voltajes o sobre corrientes que pueden
dañar dispositivos tan delicados como los procesadores.
El aislamiento es realizado básicamente por una serie de opto acopladores
o acopladores ópticos como se los puede apreciar en la siguiente foto (circuitos
integrados de color blanco). Estos son los encargados de acoplar las cargas de la
etapa de potencia/transformación como la etapa de control.
20
En esta sección también se encuentran relés entre otros dispositivos, que
también sirven para el acoplamiento entre circuitos de cada etapa, además de
brindar un cierto grado de protección ante eventuales sobrecargas del sistema de
alimentación.
Figura 2.11 Etapa de aislamiento controlador C500
La tercera y última etapa es la de control, en esta etapa podemos encontrar
todo lo concerniente al procesamiento que realiza el robot, el análisis de toda la
información, como de los comandos de movimiento enviados desde el computador
conectado por medio de las interfaces o enviados por medio del teach pendant.
Dentro de los dispositivos que se cuenta en este apartado, para realizar su función
que en definitiva es la de ser el cerebro de todo el sistema, contamos con circuitos
integrados que realizan la labor de intercomunicación tanto entre las etapas como
de interfaz con el exterior por medio de los diferentes protocolos existentes en el
controlador C500, el más usado es el serial. También se tienen microcontroladores
que procesan parte de la información que ingresa por medio del puerto serial, la
función principal de los micro controladores es la de contadores de pulsos
provenientes de los encoders del robot, por otra parte, tenemos el
microprocesador que realiza la tarea más pesada del sistema o el procesamiento
numérico de la información concerniente al posicionamiento del brazo robótico.
21
Figura 2.12 Etapa de control, Unidad C500C.
Estas son las etapas con que cuenta el robot manipulador, el software para
programar los movimientos es Ralp-3, que realmente no nos interesa porque el
sistema no funciona, por lo cual solo es mencionado en caso que se interese
buscar sobre este software.
Figura 2.13 Software exclusivo para programar el A465
22
23
En el siguiente capítulo se explicará todo el proceso que se llevó durante el
desarrollo del proyecto; en donde se empezó por revisar las tarjetas de los circuitos
existentes con el fin de aprovechar el material que sirva. Además, los diagramas
que se realizaron en Microsoft Visio son los que después de revisarse, resultaron
sin daño alguno, también se realizaron pruebas con lo que se pudo rescatar.
Aclaro que, si se desea consultar más a fondo sobre la electrónica de este
sistema, consulte la tesina de Marco Antonio Quevedo Hernández de ing.
Mecatrónica, ya que se explica toda la circuitería.
En este, nos centraremos en la interfaz gráfica que se realizó para el nuevo
sistema de control, gracias al PIC18F4550 y Labview.
3.1 REVISION DE TARJETAS ELECTRONICAS.
Aproximadamente el tiempo para esta etapa fue de 1 mes, fue dentro del
taller de robótica de la UPSIN junto con el Dr. Víctor Nalda.
El principal objetivo que se tenía era verificar todo el sistema electrónico del
control, ya que suponíamos que la falla estaba ahí. Se empezó por desarmar el
gabinete de control.
Figura 3.1 Gabinete de control antes de ser desarmado.
24
Después de llevar acabo el desarmado, empezamos a revisar tarjeta por
tarjeta. En la etapa de alimentación no se encontró ningún problema, el
transformador toroide, el arrancador suave, el porta fusibles y el rectificador de señal
estaban en perfectas condiciones, por lo que este material se rescató para seguir
usando en el transcurso de proyecto.
En la etapa de aislamiento, la tarjeta no mostraba ningún problema. Los opto
acopladores estaban en buena condición.
El problema surgió en la etapa de control, las tarjetas de PWM y fuente de
conmutación, que son para los motores, no mostraban ningún desperfecto. El
problema que encontramos fue en la tarjeta controlador C500C ya que estaba
sulfatada en donde se encontraban los FPGA y se concluyó que debido a esto no
funcionaba el robot. Por lo cual se intentó limpiar con alcohol isopropílico, pero ni
así se logró el funcionamiento correcto ya que seguía con el mismo error. Por lo
tanto, se optó por la segunda propuesta que es la de diseño de un nuevo sistema
de control.
Figura 3.2 Gabinete desarmado donde se observan las tarjetas electrónicas.
25
3.2 DISEÑO DE LOS CIRCUITOS EN VISIO.
En esta etapa se llevó la realización de los circuitos que se lograron
rescatar para poder tener estos de referencia ya que durante la búsqueda de
información sobre el brazo no encontramos mucha. Por eso se descifraron los
comportamientos de los circuitos para poder hacer los diagramas. Además,
interpretamos los pines de entrada, tanto macho y hembra del brazo, para saber
dónde conectar alimentación de voltaje para los motores y optcoders a la hora de
hacer pruebas.
Si se desea saber cómo fueron realizados estos circuitos, consulte la tesina
de Omar Patrón Ponce de León.
Figura 3.3 Salida de voltajes del banco de capacitores.
26
Figura 3.4 Tarjeta PWM y sus salidas para el control de motores.
27
Figura 3.5 Etapa de alimentación para el brazo.
28
Figura 3.6 Entrada hembra del brazo.
29
Figura 3.7 Entrada macho del brazo.
Estos diagramas fueron descifrados ya que no se encontró ninguna
información de ayuda.
30
3.3 PRUEBAS CON LOS CIRCUITOS EXISTENTES.
Para esta etapa, las pruebas fueron realizadas con la fuente que tenemos,
gracias a esto pudimos realizar movimientos de los motores y probar que nuestra
teoría era verdadera.
Figura 3.8 Etapa de alimentación en funcionamiento.
3.4 DECISION FINAL PARA SOLUCIONAR EL PROBLEMA.
La decisión que se tomó para seguir con el desarrollo del proyecto fue
desarrollar un nuevo sistema de control, debido a que después de hacer tantas
pruebas, no se pudo hacer funcionar la tarjeta PWM (esta acciona los 3 principales
motores), esto porque la unidad C500C mandaba 2 señales que accionaban 2
relevadores para que la tarjeta comenzara a funcionar.
31
Para este nuevo diseño, el programa Rapl-3 quedara obsoleto porque este
software es exclusivamente para la unidad C500C. Por lo tanto, se decidió hacer
una nueva interfaz gráfica que permita al usuario el control del brazo.
El diseño del circuito de los puentes H se muestra en el siguiente tema y el
desarrollo de la interfaz en otro tema.
3.5 DISEÑO DE NUEVO SISTEMA DE CONTROL.
Para este nuevo sistema, se decidió realizar el puente H que se muestra en
la figura 3.9. Anteriormente ya hemos trabajado con este circuito en un robot
limpia playas y optamos por el uso de este porque los mosfets que se usan fueron
ideales para el diseño principalmente por la corriente que soportan, pero con la
desventaja de que se tienen que controlar aspectos muy importantes al momento
de que se activan, el cual es la temperatura. Como sabemos los semiconductores
sufren mucho por los cambios de temperatura y esto conlleva a un mal
funcionamiento del componente inclusive, en el peor de los casos, quemarse; la
temperatura no se puede controlar, pero si se puede reducir mediante disipadores
de calor y una buena ventilación. Estos ayudan a que el transistor no se caliente
demasiado y funcione bien por un largo periodo de tiempo.
Una de las principales desventajas de un transistor en comparación con un
Mosfet es que el transistor no es igual de rápido que un Mosfet en cuestiones de
activación de control por PWM tomando en cuenta la velocidad de conmutación ya
que la frecuencia de PWM es muy rápida y los Ton/Toff son muy distintos, siendo
el Mosfet la mejor opción por cuestiones de velocidad de conmutación en su
compuerta (gate). Ademas que los motores son DC y esto facilita el control.
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Figura 3.9 Diagrama para el diseño del puente h.
3.5.1 ¿Por qué usar el PIC18F4550?
El principal motivo para usar este PIC es por la ventaja que nos ofrece su
conexión directa vía USB con la computadora con una interfaz HID; además
cuenta con dos módulos CCP que nos ofrecen la modulación por ancho de pulso
PWM. Estas son las principales virtudes por lo que elegimos este
microcontrolador. En la figura 3.10 se puede ver la gran disposición de terminales
que nos ofrece.
Figura 3.10 Diagrama de pines del Microcontrolador 18F4550.
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3.6 INTERFAZ GRAFICA PARA NUEVO SISTEMA DE
CONTROL.
A continuación, se mencionará el proceso para poder realizar la interfaz que
controlara al brazo. Si usted desea realizar las simulaciones que se presentan, es
necesario que cuente con los siguientes softwares: Labview, Pic C y Proteus.
Además de descargar los complementos de Virtual USB para proteus para que
detecte una USB virtual a la hora de realizar la simulación, y la versión 5.1 de NI
VISA para labview, esto para la comunicación con el PIC.
Se decidió realizarlo de esta forma para que el usuario pueda desarrollar sus
propios programas para controlar el brazo, esto gracias a que la conexión USB del
microcontrolador lo hace funcionar como si fuese un arduino.
3.6.1 Simulación en proteus de envío de bytes.
En la figura 3.11 se podrá observar el diagrama realizado en proteus.
Aquí se puede explicar de manera breve el funcionamiento, ya que todo depende
de la programación que se asigne al microcontrolador. Podemos observar la figura
de una terminal USB en los pines 23 y 24 del PIC ya que estos son
exclusivamente para esta conexión. Además, hay 2 leds, uno rojo y verde; el rojo
nos indicara que el puerto USB está en espera de reconocimiento de la
computadora y el verde encenderá cuando este sea detectado por la máquina.
También, hay un potenciómetro, esto para verificar que los datos se están
enviando a la simulación de labview. Los demás componentes son necesarios
para el correcto funcionamiento del PIC.
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Figura 3.11 Simulación para envío de datos.
3.6.2 Programación en Pic C para envío de bytes.
Esta parte explica en general la función del código. Es necesario empezar
un nuevo proyecto dentro de Pic C e incluir las librerías necesarias para una
programación correcta; por eso declaramos la librería para el PIC 18F4550, así
como las librerías para la conexión vía USB. El tamaño de datos es de 8 bytes. Se
definen los puertos para los leds y el potenciómetro. Si usted quiere conocer más
acerca de la programación del pic, puede verificar el código que se incluye en los
anexos.
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Figura 3.12 Interfaz de programación en Pic C
3.6.3 Programación en Labview para envío de bytes.
En esta parte lo que hace la simulación de labview es recibir los datos del
pic, es decir, lee los bytes para después escribirlos y mostrarlos de una forma
gráfica en su panel frontal. Se encuentra un interruptor el cual encenderá un led
para la simulación en proteus y una gráfica que será manipulada por el
potenciómetro, verificando que los datos se están recibiendo.
Figura 3.13 Diagrama de bloques de la simulación.
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Figura 3.14 Panel frontal de la simulación.
A continuación, se muestra el circuito hecho para las pruebas en
protoboard, y en el capítulo 4 y 5 podrá saber si lo leído anteriormente ha cumplido
el objetivo.
Además, en los anexos encontrara imágenes de la simulación en
funcionamiento.
Figura 3.15 Entrada USB del microcontrolador.
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Figura 3.16 Circuito de prueba completo.
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39
4.1 SOBRE LAS TARJETAS.
Para las tarjetas, no es necesario mencionar que realmente no funcionaron
por la unidad C500C, que es el cerebro del robot, por eso que solo se intentó
rescatar las demás, siendo un fracaso debido a que todo se controlaba por esta
unidad. Lo único que se rescato fue la fuente de alimentación, que fue una gran
ventaja para evitarnos realizar un sistema de potencia para este brazo.
4.2 SOBRE LA SOLUCION DEL PROBLEMA.
Después de un debatido análisis y un sinfín de pruebas, pudimos aclarar
que un nuevo sistema de control era necesario; si se podía intentar reparar o
incluso hacer la unidad C500C, pero que desventaja tenia; que la mayoría de los
componentes con los que cuenta esta unidad son prácticamente viejos ya que el
brazo tiene una antigüedad aproximadamente de 20 años. Por lo que un nuevo
sistema sustituiría el tamaño de la tarjeta grande por uno más pequeño, y así usar
un menor número de componentes. Esto fue la mejor decisión.
4.3 SOBRE LA INTERFAZ GRAFICA.
Como ya se mencionó anteriormente, el robot cuenta con su propio
software (RAPL-3) para el control y manipulación de este. Es por eso que, si
desarrollamos nuestro propio sistema, este software seria inservible. Por eso
optamos por realizarlo con labview, ya que es compatible con el microcontrolador
en uso.
40
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Este proyecto fue un gran reto debido a lo ya mencionado; nuestra idea era
empezar desde 0 para entender todo el diseño electrónico que les llevo hacer a
los ingenieros encargados de la realización de este brazo. En especial me intereso
esto, porque hoy en día la tecnología incrementa exponencialmente, pero antes
era más escasa la información que se podía adquirir. Por eso mi interés en pensar
y saber, ¿Cómo es el ser humano capaz de realizar cosas que parecen ciencia
ficción? Esta fue la pregunta que me motivo a realizar y concluir el proyecto.
Cabe resaltar que el equipo de trabajo fue ideal porque nos dividimos el
trabajo, siendo yo el encargado de la interfaz. Además, la comunicación que se
tenía era muy buena ya que habíamos trabajado anteriormente como equipo.
El trato del asesor interno y externo fue excepcional ya que siempre se
contó con su apoyo en todo momento. Todos los mencionados en esta tesina
fueron pieza fundamental para este proyecto.
Por ultimo me queda decir que el brazo funciona como lo esperábamos y se
espera que a trabajos futuros se puedan incluir movimientos inalámbricos
mediante el movimiento de un individuo o el control mediante direcciones ip, que
estas ideas se le han dado al O.R. para que en otro proceso de estadía se puedan
implementar.
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BIBLIOGRAFIA
Luis Reyes Ávila. Sobre la parametrización de las rotaciones y reflexiones de
multicuerpos rígidos en el plano: Modelación cinemática de un robot de dos grados
de libertad. Reporte interno de investigación, UNAM, (ISBN 968-36-9841-7), 2002.
Robert E. Parkin. Applied robotic analysis. Industrial robot series. Pretince-Hall, 1st.
Edition, 1991. ISBN 0-13-773391-7.
Mario Márquez M. Modelado cinemática y dinámico de robots utilizando
quaterniones. Doctorado en ingeniería, Universidad Anáhuac del Sur, 2000.
George P. Richardson & Alexander L. Pugh III. Introduction to system dynamics
modeling. System dynamics series. Pegasus, 1st. Edition, 1999. ISBN 1-883823-43-
9.
William R. Derrick. Variable compleja con aplicaciones. Grupo editorial
iberoamericana, 2d. Edition, 1987. ISBN 0-534-02853-5.
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GLOSARIO
Capacitores: Un condensador eléctrico es un dispositivo pasivo, utilizado en
electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo
eléctrico.
Diodos: Es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación
de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido.
Fusibles: Es dispositivo utilizado para proteger dispositivos eléctricos y
electrónicos. Este dispositivo permite el paso de la corriente mientras ésta no supere
un valor establecido.
Microcontrolador: Es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las
órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales,
los cuales cumplen una tarea específica.
Microprocesador: Es el circuito integrado central más complejo de un sistema
informático; a modo de ilustración, se le suele llamar por analogía el «cerebro» de
un computador.
Mosfets: Transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor es
un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el
transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos
analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular
en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales
están basados en transistores MOSFET.
Motor de DC: Es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica,
provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción que se genera del campo
magnético. Se compone principalmente de dos partes el estator y el rotor
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Optcoder (encoder): También conocido como codificador o decodificador en
Español, es un dispositivo, circuito, programa de software, un algoritmo o incluso
hasta una persona cuyo objetivo es convertir información de un formato a otro con
el propósito de estandarización, velocidad, confidencialidad, seguridad o incluso
para comprimir archivos.
Optoacopladores: También llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente,
es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor activado
mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un componente
optoelectrónico, normalmente en forma de fototransistor o fototriac.
Relays: Es un dispositivo electromagnético. Funciona como un interruptor
controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y
un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o
cerrar otros circuitos eléctricos independientes.
Relevador de estado sólido: Utilizan semiconductores de potencia como tiristores
y transistores para conmutar corrientes hasta más de 100 amperios. Los relés SSR
pueden conmutar a muy altas velocidades (del orden de milisegundos) en
comparación a los electromecánicos, y no tienen contactos mecánicos que se
desgasten.
Resistencias: Reducción que tienen los electrones al moverse a través de un
conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se
representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán Georg Simon
Ohm.
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Transformador: es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un
cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el
fenómeno de la inducción electromagnética.
Transistores: es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar
una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de
amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.
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ANEXOS
Codigo en Pic C para el microcontrolador.
#include <18F4550.h>
#fuses
HSPLL,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,NODEBUG,USBDIV,PLL5,CPUDIV1,VREGEN
#use delay(clock=48M)
#DEFINE USB_HID_DEVICE TRUE
#define USB_EP1_TX_ENABLE USB_ENABLE_INTERRUPT //turn on EP1
for IN bulk/interrupt transfers
#define USB_EP1_TX_SIZE 8
#define USB_EP1_RX_ENABLE USB_ENABLE_INTERRUPT //turn on EP1
for OUT bulk/interrupt transfers
#define USB_EP1_RX_SIZE 8
#include <pic18_usb.h>//Funciones de bajo nivel(hardware) para la
serie PIC 18Fxx5x que serviran en usb.c
#include <usb_desc_hid.h>//Aqui es donde van las descripciones de
este dispositivo (como lo reconocera windows)
#include <usb.c> //libreria para el manejo del usb
#define LEDR PIN_C0 //Led rojo para la espera de la conexion USB
#define LEDV PIN_C1 //Led verde, se enciende cuando el USB esta
conectado
#define LED_ON output_low
#define LED_OFF output_high
int8 Salida[8];
int8 Entrada[8];
void main() {
setup_adc_ports(AN0);
setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);
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set_adc_channel(0);
set_tris_b(0x00);
output_b(0x00);
LED_ON(LEDR);
LED_OFF(LEDV);
usb_init();
usb_task(); //Monitorea el estado de la coneccion
conectandose y desconectandose automaticamente
usb_wait_for_enumeration(); //espera infinitamente hasta que
el dispositivo fue enumerado
LED_ON(LEDV);
LED_OFF(LEDR);
while (TRUE)
{
usb_task();
if (usb_enumerated())
{
Salida[0]=read_adc();
usb_put_packet(1, Salida, 1, USB_DTS_TOGGLE);
if (usb_kbhit(1))
{
usb_get_packet(1, Entrada, 1);
if (Entrada[0]==1)
{
LED_ON(PIN_B0);
}
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else
LED_OFF(PIN_B0);
}
}
}
}
Interfaz en funcionamiento.
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