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Informe Final del ProyectoBrazo de ZeusJulin Mauricio Montoya Giraldo (Director del Proyecto)(Mecnica): Departamento del Diseo Mecnico.line 2: name of organization, acronyms acceptable

Armenia, QuindoE-mail: jmdastan@gmail.comAndrs Felipe Gecha Londoo (Asesor del Proyecto)(Programacin y Electrnica): Departamento de Programacin y Diseo Electrnico. Armenia, QuindoE-mail: andresguecha@hotmail.com

Jhorman Delgado Arenas (Matemtico del Proyecto)(Clculos): Departamento de Clculos Estticos y de Resistencia de materiales. Armenia, QuindoE-mail:-------------------------

AbstractIn this final report, a few group of students, are going to show the last previews of the Brazo de Zeus project to the professor in charge of the Materials Resistance subject.Keywordsbrazo, zeus, arduino, inventor, robtica, aluminio, rodamientos, sujecin, gripper, servomotor.I. Introduccion Mediante este Informe Final del Proyecto, se pretende sustentar de manera terica los avances finales y el Funcionamiento del Brazo Mecatrnico, Brazo de Zeus presentado el dia viernes 29 de mayo de 2015 al Docente Ricardo Naranjo (Docente orientador de Resistencia de Materiales) y al docente Alexander Rincn (Docente orientador de Microcontroladores).II. Justificacion del ProyectoEl proyecto en cuestin es realizado con el nico objetivo de mejorar las tareas humanas que requieren de un significativo grado de precisin (cirugas a rganos que requieren precisin micronesima, cirugas cerebrales, de corazn abierto), o en su defecto sean de difcil realizacin para el ser humano, o impliquen peligro para este (desminado, transporte de material radiactivo, venenoso, o muy pesado, o de transporte o almacenamiento en lugares de difcil acceso).Identify applicable sponsor/s here. If no sponsors, delete this text box (sponsors).III. Objetivos:Objetivo General:

-Fabricar un Brazo Robtico de 2 Grados de libertad, que sea capaz de levantar y transportar un objeto pequeo.

Objetivos Especficos:

-Disear un Esquema Inicial del Brazo Robtico definiendo los grados de libertad de este.

-Realizar los clculos de esfuerzos a los cuales se va a ver sometido el brazo robtico.

-Realizar el anlisis de costos que tendr el brazo robtico.IV. Marco ReferencialAfter the text edit has been completed, the paper is ready for the template. Duplicate the template file by using the Save As command, and use the naming convention prescribed by your conference for the name of your paper. In this newly created file, highlight all of the contents and import your prepared text file. You are now ready to style your paper; use the scroll down window on the left of the MS Word Formatting toolbar.V. Estado del Arte

En vista de que la fabricacin de un brazo robtico no tiene antecedentes puntuales ni marcos referenciales especficos acerca de su utilizacin y/o fabricacin se tendr como estado del arte, los antecedentes puntuales respecto a la Mecatrnica:

-Investigaciones en el rea de Ciberntica realizadas en 1936 por Turing y en 1948 por Wiener. (Ambos grandes ponentes del campo de la Mecatrnica).

-Mquinas de control numrico, desarrolladas inicialmente en 1946 por Devol.

-Manipuladores, ya sean teleoperados, en 1951 por Goertz, o robotizados, en 1954 por Devol.

-Autmatas programables, desarrollados por Bedford Associates en 1968.VI. Marco Terico-Conceptual

La Teora sobre la cual va a fundamentarse la construccin del brazo robtico ser:

-Esttica: Diagrama de cuerpo Libre: puesto que de esta manera se analizar de manera muy superficial pero puntualizada, el esfuerzo general al que se ver sometido el brazo.

-Esttica: Anlisis de cargas y esfuerzos generales: en este tipo de anlisis se pretende comenzar a hacer clculos acerca de las cargas que afectarn el brazo de manera esttica.

-Esttica: Anlisis de cargas y esfuerzos puntuales: en este anlisis se vern las cargas que afectan puntualmente a cada parte fija y mvil del brazo.

-Esttica: Anlisis de Momentos de Fuerza: mediante este anlisis se pretende analizar las fuerzas distribuidas que van a afectar al brazo.

-Resistencia de Materiales: Clculo del Factor de Carga del Brazo: en esta parte se pretende darle un margen de resistencia mayor a los elementos fijos y mviles del brazo.

-Microcontroladores: Programacin en Lenguaje C para algoritmos iniciales de control de servomotores.

VII. Criterios de Validez

Para llevar a cabo el diseo del brazo y los clculos relacionados con este, se tuvo en cuenta la primera y segunda ley de Newton y el Principio de Momento de Fuerza, y Principios Electromecnicos, induccin al uso de placas arduino e induccin a la programacin en arduino

(Primera Ley: un cuerpo sobre el que no acta una fuerza neta, se mueve con velocidad constante, que puede ser cero, y aceleracin cero).Con lo cual se da a entender, que los servomotores que van a mover el brazo, energizados o no, van a tener una velocidad constante, que ser cero, energizado o no.

(Segunda Ley: hasta el momento en el que se mande una seal elctrica que inducir al movimiento de los servos (en este momento actuar una fuerza elctrica que har mover al brazo, y por ende, la velocidad del cuerpo ser constante, pero diferente de cero y con lo cual tendr aceleracin constante).

(Principio de momento de fuerza: desde el momento en el que cada una de las partes del brazo robtico estn en equilibrio, es decir estn en reposo, se ejerce una tendencia de la parte como tal al giro de esta sobre el eje del servomotor, a este fenmeno se le considera como momento de fuerza y es un criterio terico que da validez al diseo y construccin del brazo robtico).

(Principios Electromecnicos: puesto que en el momento en que el servo est en movimiento, hace girar un potencimetro, el cual ir marcando a medida que se mueva, la posicin de giro del servo, se est haciendo alusin a una cuantificacin de posicin y fuerza mecnica, en base a una seal elctrica que se le enva al servomotor, es decir, principio electromecnico).

(Induccin al uso de Placas Arduino: en vista de que debe ejercerse un tipo de control en los servos para regular los grados de libertad del brazo a fabricar, se utiliza una interfaz y hardware de control de fcil programacin Arduino la cual permitir dar el control en cuanto a voltaje e intensidad a los servomotores que el grupo de estudiantes utilizar).

VIII. Metodologia

La investigacin con respecto al proyecto ser realizada teniendo en cuenta que al ser un proyecto que involucra programacin, anlisis estticos y de resistencia de materiales y nociones de mecnica en general, es necesario planificar etapas de construccin las cuales irn plasmadas en un cronograma de actividades. Estas etapas de construccin irn acompaadas de referentes tericos que guiarn su avance; a su vez se pretende que el grupo de estudiantes evale constantemente los avances obtenidos en la fabricacin del brazo robtico a fin de corregir fallos de manera oportuna o tener tiempo suficiente para reestructurar una etapa, si es que esta se est desviando del objetivo general o si est resultando ser muy conflictiva con el desarrollo del proyecto.

Lo inicial es partir de un diseo base; sobre el cual comenzarn a realizarse determinados clculos tanto estticos como de resistencia de materiales, para saber con exactitud las determinadas cargas que afectaran a la estructura como tal y de manera puntual en cada eje de giro del que ser provisto el brazo.

As mismo se realizar un anlisis de resistencia de materiales con el cual se espera obtener el resultado de las fuerzas que afectarn a las uniones del brazo y a los elementos de sujecin de los cuales ser provisto el brazo.

La siguiente etapa constar de una rigurosa programacin en la cual se pretender comunicar los servomotores con una placa arduino acondicionada para servir como control del brazo y con la cual se espera obtener datos como la posicin en grados de cada uno de los servomotores y garantizar la entrega de voltajes y corrientes pertinentes que aseguren el torque mximo entregado por cada uno de los servomotores.

Despus de esto, se pretende comenzar con el armado estructural del brazo, para lo cual se estima un presupuesto (mostrado ms adelante) con el que se pretende comprar los materiales y la materia prima necesaria para comenzar la fabricacin del brazo robtico.

Como ltima etapa se pretende acoplar la parte electrnica y de control, con la parte mecnica y se procede a las pruebas puntuales para evaluar el desempeo del brazo y realizar las correcciones pertinentes.

IX. Planos y Clculos

Boceto Inicial:

En Base a este Boceto, visualizado un 80% por el Asesor encargado de la parte de programacin, el Departamento de Mecnica se hizo cargo del diseo virtual mediante el software de simulacin Autodesk Inventor y asi mismo se realizaron correcciones en las piezas y se trabaj con medidas reales como se muestra en las siguientes imgenes:

Para la compra y posterior utilizacin de los servomotores a aadir al brazo, se realiz un anlisis esttico a fin de obtener de manera terica, cuales seran los torques y esfuerzos mximos a los cuales se veran sometidos los servomotores a utilizar:

Se comenz con un diagrama de cuerpo libre:

A partir del cual se comenz un anlisis esttico, y lo primero a hacer fue adicionar de manera terica los pesos a los que iba a estar sometido el brazo pero en el punto que no iba a tener movimiento controlado, es decir el gripper, puesto que actua como peso muerto:

Piezas del Gripper:

4.81grs

Servo del Gripper:

8grs

Pieza Mueca Aluminio:

10grs

Rodamiento (x8):

16grs

Tornillos y Tuercas:

4grs

(Utilizados como Ejes)

Piezas de Aluminio (x2);

20grs

Total:

62.81grs

Acto siguiente, fue convertir ese peso hallado en una fuerza puntual que iba a afectar a toda la estructura y en especial a los servos:

Sea W una fuerza puntual, entonces:

W = m x g

W = 62.81grs x 9.81

W = 0.06281Kgs x 9.81W = 0.6161661 N

W = 616.1661 e(-3) Newtons

Se aproxim y Otorg un factor de Resistencia mayor:

700 e(-3) Newtons.

Una vez obtenida la fuerza puntual, se procedi a hallar el momento de Fuerza en el Punto B (MB)

MB = F x D (Donde F es una Fuerza Puntual y D es una distancia en la cual va a calcularse el Momento de Fuerza, en este caso el Punto B):

MB = 700 e(-3) Newtons x 8,5 cm

MB = 700 e(-3) Newtons x 0,85m = 0,59 Nm

Por medio de una conversin de unidades se convirti el resultado de momento de fuerza (Newton/metro), en Kg/cm que es la unidad de torque que manejan los servomotores:

0,59 Nm (6.016 Kg/cmAhora bien, con el resultado hallado en las ecuaciones anteriores, se opt por la compra del servomotor SG5010, el cual levanta un torque mximo de 6,5 Kg/cm, lo cual lo capacita, para levantar la carga, y casi 300 grs ms de carga.

Habiendo hallado el Momento de Fuerza en el punto B, se procede a hallar el Momento de fuerza en el punto A, (el cual es un punto crtico, ya que recibir toda la carga a levantar del brazo, mientras que el punto B, solo recibir la mitad de la carga a levantar)

Se procede a aumentarle a la Fuerza Puntual Original, el peso del nuevo servo

Servomotor MG946R

= 55.0grs

Fuerza puntual

= 62.81grs

Total:

=117.81grs

Transformando el peso hallado, en una fuerza puntual:

117.81grs x 9.81 =

0,11781Kg x 9.81 = 1.1557161 N

1155,7161e(-3) N

Aproximando y Otorgando un Factor de Resistencia mayor:

1200e(-3)N

Y una vez tenemos una nueva Fuerza puntual mayor que la anterior, procedemos a hallar el Momento de Fuerza en el Punto A:

MA = F x D

MA = 1200e(-3) x 16.2 cm =

MA = 1200e(-3) x 0.162m = 0.1944 Nm

El nuevo Momento de Fuerza en el Punto A, es convertido a Kg/cm y posteriormente se le adiciona el torque hallado del servomotor anterior:

1.9823 Kg/cm + 6.016 Kg/cm = 7.99 Kg/cm

Para levantar el momento de fuerza, se opt por utilizar el servo MG946R el cual levanta cargas con un torque mximo de 10,5 Kg/cm a 13 Kg/cm, lo cual lo sobrecalificapara este trabajo.X. Simulaciones

Y una vista ms en detalle, de las cargas mximas a las cuales pueden verse sometida la estructura

XI. Hipotesis

Lo esperado a conseguir con la fabricacin de un brazo robtico es que este sirva para el agarre y desplazamiento de objetos que no superen los 100 gramos, y que sea capaz de sostenerlo por un tiempo aproximado de 3 minutos en adelante, para lo cual se destinaran los clculos y el presupuesto suficiente para lograr este resultado esperado.XII. Esquema Temtico

XIII. Grupos de Trabajo

Al estar el grupo de trabajo conformado por 3 personas, se dividi el trabajo de la siguiente manera:

Julin Montoya (Director del Proyecto): Encargado del Diseo Mecanico y todo lo relacionado con la parte mecnica, control de presupuestos y costos, y encargado de coordinar los avances de proyecto.Andrs Gecha (Asesor del Proyecto): Encargado del Diseo Electronico y todo lo relacionado con la parte de Programacin y acople electrnico al proyecto, investigaciones pertinentes al control inalmbrico y via bluetooth, y facilitador de las instalaciones de trabajo.Jhorman Delgado (Matemtico del Proyecto): Encargado de Resistencia de materiales, anlisis esttico y todo lo relacionado con la parte de clculos pertinentes al Brazo Robtico.

XIV. Cronograma

7 de Abril:

Entrega de Anteproyecto.

9 de Abril:

Reunin de avances generales.

11 de Abril:

Delegacin de Responsabilidades a los integrantes del Grupo

14 de Abril:

Inicio de Programacin en Arduino.

16 de Abril:

Inicio de Practicas con Microservos.

18 de Abril:

Acoplamiento de Microservos con el Sistema Arduino. (Pruebas)

21 de Abril:

Inicio de Fabricacin de piezas en Aluminio.

23 de Abril:

Continuacin de piezas en Aluminio.

25 de Abril:Finalizacin de piezas en Aluminio y posiblemente acople con microservos.

28 de Abril:

Armado de piezas fijas y mviles, con Microservos y placa Arduino.

5 de Mayo:

Preparacin Final y Entrega del Proyecto.

XV. Presupuesto:Gripper:

15000$

Servo Gripper HS-5533000$

ServoMotor SG501045000$

Servomotor MG946R54000$

Placa Arduino UNO80000$

Lamina de Aluminio 30000$

Modulo Bluetooth30000$

Modulo Inalmbrico35000$

Pantalla LCD

38000$

Baquelas para Circuitos10000$

Componentes Electrnicos20000$

Tornilleria y Metales35000$

Total:

425000$Agradecimientos:Julin Montoya:

Un agradecimiento especial a mi por no desfallecer y por mostrarme muy calmado y asi mismo transmitir seguridad y calma a mi equipo de trabajo.

A pap que gracias a sus multiples apoyos econmicos se pudo llevar de mejor manera la parte econmica.

A Lina Pasmio, Mi Jefe, ya que econmicamente recib mucho apoyo de parte de ellaA Juan Camilo Daz ya que me ayud a despejar una duda inicial del proyecto y en base a esto pude continuar.

A Andrs Gecha ya que por ser tan volado en la parte electrnica y de Programacion el brazo funcion perfectamente y de todos los proyectos fue el que ms atencin llam

A Jhorman Delgado por las situaciones en las que aportaba ideas para la parte mecnica

Al profesor Ricardo Naranjo por apoyarme aclarndome conceptos que no entendia y de esa manera mejorar el proyecto.

Andrs Gecha:

A mis padres por apoyar econmicamente parte de ste proyecto.

A mi mujer, por esperar por mi tantas trasnochadas y por ser gran apoyo emocional para seguir adelante

A Julian Montoya, por tener esa paciencia que tanto pedia y por ser muy pulido a la hora de trabajar la parte mecnica.

A Jhorman Delgado por apersonarse tanto de ste proyecto, comprometerse y dar gran parte de su tiempo para terminarlo.Al profesor Ricardo Naranjo por brindarnos los espacios adecuados para poder trabajar en el proyecto y por el tiempo dedicado para ensearnos a construir estructuras empezando por su parte mecnica.

Al profesor Alexander Rincn por ensearnos tantas herramientas para poder automatizar nuestros proyectos.

Jhorman Delgado: