rediseÑo de un robot con base a su funcionalidad

MEMORIAS DEL XIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM Y CONGRESO INTERNACIONAL DE METAL MECNICA 2007

19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2007 DURANGO, DGO. MXICO A1_77

ISBN 968-9173-02-2 Primera Edicin: 2007 D.R.2006. Sociedad Mexicana de Ingeniera Mecnica, A.C.

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REDISEO DE UN ROBOT CON BASE A SU FUNCIONALIDAD

Erik Pea Medina, Ulises Peuelas Rivas, ngel Rojas Salgado Ociel Flores Daz, Jess Manuel Dorador Gonzlez

Facultad de Ingeniera, Universidad Nacional Autnoma del Mxico, Avenida Universidad, No 3000, CP 04510,

Distrito Federal, Mxico [email protected], [email protected], [email protected],

[email protected], [email protected]

RESUMEN

Se describe la metodologa usada en el rediseo mecnico de un robot manipulador antropomrfico. El trabajo realizado consisti en reacomodo y redimensionamiento de los eslabones que componen a los mecanismos encargados de mover las articulaciones del robot y tambin disear un rgano terminal, para la orientacin de piezas simtricas. Para la parte de control se busc un diseo simplificado de los circuitos, usando microcontroladores y circuitos auxiliares. La interfaz entre el usuario y el robot se hizo por medio de una PC y lenguaje visual.

ABSTRAC

In this paper is describes the methodology used for the redesign of anthropomorphic manipulating robot. The made work consist in change the position and dimension of different elements that compose the links in charge to move the joints of robot also to design a terminal organ. For the part of control a simplified design of the circuits looked for, using microcontrollers and auxiliary circuits. The interface between the user and the robot became by means of a PC and a visual language.

INTRODUCCIN El desarrollo acelerado de la tecnologa hace que el pas se rezague en muchos aspectos. Los centros educativos tiene la tarea de ensear cada vez mayor contenido de informacin en un tiempo reducido por esta razn es necesario desarrollar material didctico que actualice los conocimientos y la interaccin terica prctica. Un ejemplo de lo anterior son las partes que involucran a las mquinas actuales: mecnicas, elctricas, software y de control [1]. Se tena en existencia un manipulador como material didctico, el cual se rediseo en base a su funcionalidad, para actualizarlo.

Se pueden considerar tres elementos fundamentales actuales para el desarrollo de un dispositivo mecnico exitoso:

Conocimiento terico y prctico

Herramientas computacionales

Dispositivos necesarios para realizar un prototipo

La combinacin de los tres puntos anteriores da como consecuencia menor tiempo de diseo, menor cantidad de modificaciones al prototipo, mejor calidad del producto terminado y por lo consiguiente una reduccin en costos.

El objetivo del presente trabajo aplicar los tres puntos anteriores y construir un robot manipulador para el departamento de ingeniera mecnica de la Facultad de Ingeniera de la UNAM como apoyo a asignaturas como: robtica, instrumentacin y control, mecanismos, anlisis dinmico de maquinaria, tcnicas de programacin, entre otras.

El diseo de este robot forma parte del rediseo de otro que se encuentra ya fuera de uso por rezago tecnolgico, el cual cuenta con una configuracin de tipo serial articulado.

Al analizar el problema se toma la decisin de desarrollar otro dispositivo similar, basndose en la experiencia anterior y considerando parmetros de la primera configuracin del robot. En primera instancia se recolecta la informacin necesaria para el desarrollo del nuevo proyecto y se establece una metodologa de diseo para determinar la configuracin ms viable [2].

Para el proyecto se plantean los siguientes objetivos:

Se aumentar a 5 los grados de libertad del robot, para tener la posibilidad de orientar piezas simtricas.




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Se modificarn y se determinaran las dimensiones de los eslabones que componen al robot para mejorar su estructura mecnica.

Disear una nueva etapa de potencia para el control de energa de los actuadores, para hacerla ms eficiente.

Se crear una interfaz entre el robot y el usuario a travs de una PC.

ANLISIS DE POSICIN Las ecuaciones que describen la trayectoria del rgano terminal del manipulador se obtuvieron usando el mtodo de Denavit-Hartemberg [3] y definiendo vectores a travs de la estructura. Para hacer el estudio a detalle se usaron diversas herramientas de cmputo como Solidworks, MasterCAM, Mathematica y hojas de clculo. Estos programas se usaron para analizar las trayectorias del robot, disear los eslabones, transmisiones, la manufactura y diseo electrnico. Con la ayuda del programa Mathematica 5.0 se pueden realizar las operaciones matriciales necesarias para obtener las ecuaciones que describen la trayectoria de un objeto movido por el robot. En esta parte se simplifico el anlisis de la trayectoria dividiendo al robot en cuatro eslabones. En la siguiente figura cada una de las lneas representa un eslabn.

Introduciendo los datos dentro de las matrices de rotacin se obtuvo una simulacin (figura 2)

DESARROLLO DE LA CONFIGURACIN La configuracin mecnica del robot fue establecida por medio de matrices de decisin.

Las propuestas de solucin para la base, el brazo, la mueca y el rgano terminal del robot fueron calificadas por los cinco miembros del equipo de diseo y se seleccionaron las opciones ms viables. Se elaboraron tablas de

evaluacin correspondientes a cada propuesta de solucin de acuerdo al mtodo de diseo usado [4], en la primer columna se indica la propuesta que se esta evaluando, las dems columnas contienen los criterios de evaluacin del mecanismo con un valor de ponderacin correspondiente a la importancia de ste, adems que su calificacin. Las calificaciones tuvieron un rango de 1 a 5 (1 es el peor y 5 el mejor) debido a que es ms fcil y rpido de calificar cada propuesta, en un rango ms grande involucra ms tiempo y detalles de evaluacin. Para la base del robot se plantearon las siguientes propuestas:

En las propuestas del brazo bsicamente se compararon diferentes tipos de transmisiones para hacer girar todo el brazo. La propuesta a) corresponde a un motor-reductor, la b) corresponde a una reduccin de un tornillo sin con un engrane y la c) corresponde a un transmisin por bandas. Los parmetros para seleccionar la propuesta ms adecuada para la

Figura 2 Simulacin del manipulador siguiendo una trayectoria recta.

Figura 3 Propuestas para la base del robot

a) b) c)

e1

e2

e3

e4

Trayectoria

Figura 1 Eslabones que componen al robot para el anlisis de la posicin

e1

e2

e3

e4




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base son: la precisin, la repetitividad en los movimientos, una estructura conformada por el menor nmero de piezas posibles, su rango de movimientos, facilidad de construccin y que el sistema falle lo menos posible (confiabilidad).

Las propuestas para el brazo fueron las siguientes:

Para el brazo las propuestas consisten en diferentes formas de mover los eslabones. La propuesta d) consiste en mover cada eslabn por medio de un sistema de bandas, la propuesta e) consiste en un mecanismo de barras paralelas donde el movimiento de cada eslabn es independiente y la propuesta f) consiste en una cadena de eslabones totalmente abierta donde los actuadores se colocan en cada articulacin. Los parmetros para seleccionar la configuracin del brazo ms adecuada son: la repetitividad de sus movimientos, la precisin, una estructura con el menor nmero de piezas y lo ms ligero posible, la movilidad, la facilidad de construccin, confiabilidad y la ubicacin de los actuadores.

Las propuestas que se evaluaron para la mueca fueron:

En la figura 5 el rgano terminal est representado por una caja rectangular. En la propuesta g) un par de motor-reductores se encargan de mover el rgano terminal como en se muestra, en h) un motor-reductor mueve a un mecanismo de barras paralelas encargado de dar

movilidad al rgano terminal y en la i) una reduccin compuesta por un engrane y un pin mueven a un actuador que hace girar el rgano terminal. Para seleccionar la mueca se usaron los siguientes parmetros: la repetitividad de sus movimientos, la precisin, la movilidad, su facilidad de construccin, que este conformado por el menor nmero de piezas y lo ms ligero posible.

Las propuestas del rgano terminal corresponden a dispositivos a ya existentes. Es deseable manipular la mayor cantidad de objetos posibles, los dispositivos que cierran manteniendo sus dedos de forma paralela pueden tomar objetos con perfiles redondeados.

El rgano terminal est basado en los siguientes dispositivos:

En la figura 6 el dispositivo a) sus dedos usa un mecanismo de barras paralela con un actuador neumtico y el dispositivo b) usa un tornillo sin fin como actuador. Se hizo una combinacin entre a) y b), que consiste en cambiar el pistn neumtico por el tornillo sin fin.

Con la seleccin de los dispositivos que conformaran la nueva configuracin se paso al diseo a detalle de cada una de ellas y de los elementos que los componen, para intgralas en un prototipo virtual. Cada una de las piezas mecnicas se dibujo en un programa de CAD y con las piezas dibujadas se crearon sub-ensambles y con estos un ensamble final del robot. El uso del CAD ayudo a desarrollar los elementos mecnicos de forma rpida, los sub-ensambles sirvieron para mejorar el funcionamiento de cada mecanismo; haciendo modificaciones en la forma y dimensiones de cada elemento. El ensamble final permiti ver ventajas y desventajas de cada sub-ensamble en forma general y hacer las modificaciones necesarias.

Figura 6 rganos terminales que cierran sus dedos de

forma paralela [5]

a)

b)

Figura 4 Propuestas del Brazo

d) e) f)

Figura 5 Propuestas para la mueca

g) h)

i)




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En la figura 7 se pueden comparar las diferencias entre el robot anterior y el prototipo virtual.

El rgano terminal resultante se muestra en la figura 8.

Cabe mencionar que el peso y las dimensiones de los objetos manipulados por el robot se obtuvieron de acuerdo los clculos hechos en la etapa de diseo a detalle del robot. En la etapa de diseo a detalles se elaboraron diagramas de cuerpo libre del robot calculando momentos provocados por cargas en los extremos de los eslabones, considerando la posicin ms extrema al brazo totalmente estirado. Con los momentos y las cargas se hicieron los anlisis de resistencia para cada una de las piezas.

La longitud de los eslabones estn basadas en un brazo de una persona de 1.75 [m] de altura, el ancho de cada seccin corresponde a las dimensiones del manipulador anterior.

CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO

FSICO

Con el desarrollo conceptual de la nueva configuracin del robot, el siguiente paso fue realizar el prototipo fsico. Las piezas de los diferentes mecanismos del robot se manufacturaron con el equipo disponible en el departamento de ingeniera mecnica de la UNAM, el equipo usado en este proyecto fue: maquinas herramientas convencionales (torno y fresa), mquinas CNC y una mquina de prototipos rpidos (impresora en 3D). Para el uso de cada uno de los equipos se conto con la asesora tcnica necesaria. Sin lugar a dudas la construccin de un prototipo es la parte ms importante en el desarrollo de cualquier dispositivo, para las piezas del robot se procuro que las piezas no estuvieran conformadas por contornos difciles del maquinar. El maquinado de las piezas que conforman al rgano terminal requiri de precisin, principalmente los eslabones de los mecanismos de barras paralelas. El maquinado de las piezas del rgano terminal casi en su totalidad se realiz en CNC.

La pieza ms complicada del robot se maquin en polmero termo-formado que se compone de Acrilonitrila, Butadieno y Estireno (ABS) [6]. La ventaja de usar la impresora en 3D es el ahorro de tiempo.

En la figura 9 se puede apreciar la complejidad de la pieza, se requiere de muchas operaciones para su realizacin. La desventaja de crear piezas en ABS es la preparacin del material y el alto costo.

INTERFAZ DE CONTROL Para seleccionar los actuadores se busco que funcionaran con el mismo voltaje y corriente con la finalidad de no desarrollar diferentes circuitos de potencia y simplificar el control. Uno de los problemas fue la disponibilidad de los actuadores, estos fueron moto-reductores con una capacidad de 25 [kg.cm].

En la interfaz de control se usaron micro-controladores. Cada posicin de un eslabn cuenta con un micro-controlador auxiliado por un circuito integrado, de la misma forma se controlan los mecanismos de la mueca y del rgano terminal.

Los microcontroladores seleccionados fueron PIC de Microchip, en especfico el PIC 16F877A. Este [7] microcontrolador es usado para ensear a los alumnos control en algunas asignaturas debido a gran la cantidad de perifricos que sustenta, con stos se pueden generar sistemas de control completos e interfaz con dispositivos como computadoras y PLCs.

Otro circuito que se utiliza es el MC33030 de Motorola [8], este integrado con dos entradas de voltaje, una referencia de la posicin y la otra referencia de control a travs de un potencimetro acoplado al eje de un moto-reductor, se logra establecer de la posicin a que debe llegar el eje de transmisin gracias a la igualacin de voltajes, de esta forma se pude tener control sobre la posicin angular y el sentido de giro del actuador.

Figura 9 Pieza ms complicada del robot (pieza de la mueca)




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CONCLUSIONES El desarrollo de material didctico para su

aplicacin en la ingeniera requiere la interaccin de un grupo de personas especializadas en diversas reas, es necesario que cada integrante de un equipo de diseo tenga nociones de cada elemento que compone el dispositivo a desarrollar para reducir el tiempo de diseo.

El uso de las herramientas computacionales reducen el tiempo de diseo y aumentan la calidad de dispositivo diseado, pero es necesario considerar el costo del software y de hardware necesarios, adems del tiempo necesario para aprender a usar los programas. El lmite del uso de las herramientas computacionales depende del programa usado y de la habilidad de la persona que lo usa.

Se cre un prototipo flexible y adecuado para experimentar adecuadamente, diferentes conceptos de las materias que se relacionan con los diferentes aspectos del manipulador.

El siguiente paso consistir en tomar la informacin que suministre el dispositivo, para posteriormente modificarlo y mejorar su funcionamiento o desarrollar elementos para actividades especficas que sean compatibles con la estructura del robot.

En todo el diseo de este dispositivo se aplicaron en su mayora de los conocimientos adquiridos por un alumno de ingeniera. Un estudiante puede revisar la informacin obtenida durante la realizacin de este proyecto. La informacin le servir para poder determinar los alcances de un proyecto, una metodologa de diseo adecuada a las necesidades del proyecto y como interactuar en grupo de trabajo aplicando sus conocimientos.

AGRADECIMIENTOS

Se agrdese la colaboracin de DGAPA, PAPIT, IN101007-2 y a los departamentos de Ingeniera Mecatrnica y de Ingeniera Mecnica de la Facultad de ingeniera de la UNAM, por la realizacin del presente proyecto.

BIBLIOGRAFA

[1] Eugene I. Rivin, Mechanical Design of Robots, Mac-Graw Hill, 1988

[2] Kart T. Ulrich, Diseo y Desarrollo de Productos, 3 ed, Ed. McGraw-Hill

[3] Ollero Baturone Anbal, Robtica Manipuladores y Robots Moviles, Boixareu Editores, 2001

[4] Kart T. Ulrich, Diseo y Desarrollo de Productos, 3 ed, Ed. McGraw-Hill

[5] Shimon Y. Nof, Handbooks of Industrial Robotics, Ed Board, 1985

[6] http://www.geplastics.com.ar/resinsar/ /resins/materials/cycolac.html (2 de Febrero 2007) [7] Manual de Microchip PIC16F87X Data Sheet

[8] Manual ON Semicondutor MC33030 Data Sheet



ISBN 968-9173-02-2 Primera Edicin: 2007 D.R.2006. Sociedad Mexicana de Ingeniera Mecnica, A.C. 295

a) b)

Figura 7 a) Robot a reconfigurar b) Prototipo virtual en CAD

Figura 8 rgano terminal resultante de combinar las dos propuestas

Mecanismo de barras paralelas

Moto-reductor del EF

Moto-reductor de la mueca

Tornillo sin fin (Actuador)

rediseÑo de un robot con base a su funcionalidad

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