reporte final brazo (1)

8/19/2019 Reporte Final Brazo (1)

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1

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE PUEBLA

ORGANISMO PÚBLICO DESCENTRALIZADO

DEL ESTADO DE PUEBLA

________________________________________

INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

NOMBRE DISEÑOMECATRONICO

CINEMATICA DEROBOTS

TERMODINAMICA

Caleco CruzBenjamín

X X

Campos Espinosa

Omar Isaac

X X X

Castillo MeléndezOscar Roberto

X

Castrejón ArteagaLuis ngel

X

!lores "aleta#ergio Alberto

X X

!lores RomeroEduardo

X X

León Ruiz $orge Alejandro X X X

#armiento"edraza Luis

Andrés

X X

#olís CanteCarlos Ignacio

X

ROBOT MANIPULADOR POR KINECT

PROFESORES:DR. ERNESTO CASTELLANOS VELASCO.

DR. OBED CORTES ABURTOM.C. MARCO ANTONIO CANCHOLA CHAVEZ


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2

Con!n"#o

"LA%&EAMIE%&O 'EL "ROBLEMA........................................................................$

I%&RO'(CCI)%................................................................................................$

OB$E&I*O +E%ERAL.........................................................................................$

OB$E&I*O# E#"EC,!ICO#.................................................................................$

$(#&I!ICACI)%.................................................................................................$

RESUMEN%...........................................................................................................&

PRESENTACIÓN%..................................................................................................&

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA ' MANIPULADORES

1.1 GENERALIDADES DE LA ROBÓTICA%........................................................... (1.2 BREVE HISTORIA DEL DESARROLLO DE LA ROBÓTICA...............................(

1.) DE*INICIÓN DE ROBOT%.............................................................................. +

1., DE*INICIÓN MANIPULADOR%.......................................................................-

1.$ DISCIPLINAS DE LA ROBÓTICA%..................................................................-

1.& GRADOS DE LIBERTAD................................................................................-

1.( ESTRUCTURA DE ROBOTS MANIPULADORES%...........................................1

1.+ SISTEMA MEC/NICO 0ESLABONES ' ARTICULACIONES%..........................1

1.- ACTUADORES ' REDUCTORES%................................................................111.1 SISTEMA SENSORIAL%.............................................................................12

1.11 SISTEMA DE CONTROL%.......................................................................... 1)

1.12 CARACTERÍSTICAS DE LOS ROBOTS MANIPULADORES%..........................1)

1.12.1 CON*IGURACIÓN B/SICA DE UN ROBOT MANIPULADOR%.................1)

1.12.2 E345436%.......................................................................................1,

1.12.) M47!56%...........................................................................................1,

1.12., E*ECTOR *INAL O ELEMENTO TERMINAL%........................................1$

1.1) VOLUMEN DE TRABA8O%..........................................................................1&1.1, CON*IGURACIONES DE LOS ROBOTS.....................................................1+

1.1$ CLASI*ICACIÓN BASADA EN EL TIPO DE ENERGÍA DEL ACTUADOR........2

1.1( SERVOMOTORES%................................................................................... 21

1.1(.1 PARTES DE UN SERVOMOTOR..........................................................22

1.1+ KINECT%.................................................................................................. 2)


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)

CAPÍTULO II

DISE9O *UNCIONAL DEL MANIPULADOR

2.1 ASPECTOS PREVIOS AL DISE9O *UNCIONAL............................................2&

2.1.1 LEVANTAR PESOS%..............................................................................2(

2.1.2 REALIZAR ACTIVIDADES SIMILARES A UN BRAZO HUMANO%..............2(2.2 CON*IGURACIÓN ANTROPOMOR*ICA DE , GDL%......................................2+

2.) CON*IGURACIÓN DEL BRAZO%..................................................................2+

2., CON*IGURACIÓN DEL ANTEBRAZO%.........................................................2-

2.$ CON*IGURACIÓN DEL E*ECTOR *INAL%....................................................2-

2.& GEOMETRÍA DEL ROBOT%..........................................................................2-

2.&.1 ESLABÓN TIERRA%.............................................................................. 2-

2.&.2 ESLABÓN BRAZO%..............................................................................)

2.&.) ESLABÓN ANTEBRAZO%......................................................................)1

2.&., E*ECTOR *INAL%................................................................................. )1

CAPÍTULO III

DISE9O MEC/NICO ESTRUCTURAL DEL ROBOT

).1 GENERALIDADES%..................................................................................... )2

).2 DE*INICIONES INICIALES%......................................................................... )2

).) ALCANCE DEL DISE9O MEC/NICO ESTRUCTURAL DEL ROBOTMANIPULADOR%..............................................................................................)2

)., C/LCULO DE LAS *UERZAS: REACCIONES ' MOMENTOS EN LOSESLABONES DEL ROBOT MANIPULADOR........................................................))

).,.1 L6 ;4!3


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,

,.& ESTABLECIMIENTO DE LOS PAR/METROS DE DENAVIT?HARTEMBERG......,+

,.( INTER*AZ ENTRE PROCESSING ' ARDUINO..............................................$

,.+ C/LCULO DE LOS /NGULOS..................................................................... $

,.- RESULTADOS DE MOVIMIENTO DEL ROBOT..............................................$2

CAPÍTULO V....................................................................................................... $)

CONCLUSIONES.................................................................................................$)

CAPÍTULO VI......................................................................................................$,

ANE@O A............................................................................................................$,

DIBU8OS DE DETALLE DE ALGUNAS PIEZAS DEL BRAZO ROBÓTICO...............$,

ANE@O B............................................................................................................(

PROGRAMAS DEL BRAZO ROBÓTICO..............................................................(

CINEMATICA DIRECTA DENAVIT HARTENBERGH.............................................(,

ESPECI*ICACIONES MOTORES........................................................................($

PROPIEDADES DEL ACRILICO%........................................................................ ((

"LA%&EAMIE%&O 'EL "ROBLEMA

'esplazar un objeto con un peso de -./ grs sobre un 0rea de trabajo con dimensiones de./cm de largo por ./cm de anc1o2 dic1o desplazamiento ser0 e3ectuado mediante la


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$

a4uda de un brazo robótico2 éste ser0 desarrollado implementando los conocimientosad5uiridos en las materias de cinem0tica de robots2 dise6o mecatrónico 4 termodin0mica7

I%&RO'(CCI)%

#e iniciara el pro4ecto realizando un dise6o 4 an0lisis de la estructura mec0nica del brazorobótico en el so3t8are solid8or9s2 una :ez realizando esta tarea proseguiremos aconstruirlo 4 :er 5ue tenga alcance a toda el 0rea en la 5ue :a a estar realizando sus3unciones2 una :ez 5ue la estructura mec0nica esté terminada se iniciara a la parte delcontrol2 esto 5uiere decir controlar los motores 5ue se encuentran en el brazo para 5uepueda imitar el mo:imiento del brazo 1umano2 esto se realizara teniendo una inter3azentre dos so3t8are;s 5ue son Arduino 4 Matlab "rocessing2 "rocessing controlara unac0mara 5ue estar0 captando el mo:imiento 5ue 1aga el brazo 1umano 4 después elmismo "rocessing controlara los motores para 5ue el brazo robótico imite el mo:imiento7

OB$E&I*O +E%ERAL• 'ise6ar 4 construir un brazo robótico 5ue imite el mo:imiento de un brazo 1umano

mediante un


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&

simulación dentro de una plata3orma in3orm0tica para determinar su comportamiento7 #eutiliza la plata3orma "rocessing -7/2 #olid8or9s 4 Arduino7

#e inicia el pro4ecto con el estudio de los 3undamentos de la robótica industrial 4en especial sobre los manipuladores7 #e determina la geometría del robot a partir delcumplimiento de sus características b0sicas 4 en 3unción de unas tareas especí3icas 5uecumple2 se estudia 4 selecciona la con3iguración del robot7 (na :ez obtenidos lascaracterísticas geométricas 4 la con3iguración se realiza el dise6o 3uncional utilizando#olid8or9s7 A partir de este2 se realizaran las apro?imaciones necesarias para ladeterminación del dise6o mec0nico estructural7

Al disponer del dise6o mec0nica estructural se realizara la simulación decinem0tica directa e in:ersa en Matlab7

Este pro4ecto de in:estigación es un aporte para el desarrollo de 3uturasin:estigaciones con respecto a la Robótica en nuestra carrera en la (ni:ersidad"olitécnica de "uebla7

PRESENTACIÓN%

En la actualidad todo tipo de industrias manu3actureras2 automotrices2constructoras2 de ser:icio2 entre otras2 tienen la imperante necesidad de mejorar 4aumentar su producción sin a3ectar el bienestar o la salud de sus trabajadores2 operarios4 obreros7 "or esta razón la aplicación de robots industriales 1a sido la mejor alternati:apara estas industrias7

A tra:és de los a6os2 el desarrollo de la robótica 1a sido muestra del a:ancetecnológico industrial de la 1umanidad2 por lo 5ue el presente pro4ecto pretendecolaborar 4 continuar con el desarrollo de ciencia 4 la tecnología de la carrera deMecatrónica2 así como también de la industria7

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA ' MANIPULADORES


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(

1.1 GENERALIDADES DE LA ROBÓTICA%

La terminología @robótica es utilizada por primera :ez por el escritor Isaac Asimo: enD-2 en su cuento titulado como @Runaround2 cuando de3inió esta palabra como @el

estudio sistem0tico de robots2 su construcción2 mantenimiento 4 comportamiento7'esde entonces se 1a internacionalizado este concepto2 siendo esta rama de la

ciencia la 5ue se ocupa de todo el desarrollo respecti:o al tema de los robots7

1.2 BREVE HISTORIA DEL DESARROLLO DE LA ROBÓTICA

'espués de la aparición del nombre por primera :ez en D-2 sucedieron un sinnmero de 1itos 5ue sir:ieron para el desarrollo de la robótica7 A continuación se

enumerar0n algunos 1ec1os en orden cronológico para a tener una mejor perspecti:a deldesarrollo de la robótica7

Este resumen comienza en DF2 cuando se publica el libro llamadoC4bernetics2 por %orbert Giener2 en el cual2 por primera :ez se inclu4en conceptospara la operación de robots7

En .D se patenta2 por primera :ez en la 1istoria2 el dise6o de un robot 4 3ue por +eorge C7 'e:ol en Estados (nidos7 Esto sir:e como ejemplo 4 es seguido por otraspersonas en todo el mundo como es el caso de C7G7


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+

En JH la robótica dejaría de ser utilizada nicamente para aplicacionesindustriales o de in:estigación2 sino para otras ramas de la sociedad7 "or ejemplo2 en esemismo a6o la %asa utilizó los primeros manipuladores situados en los artilugios *i9ing 4- para recoger muestras de la super3icie de Marte7

En JF2 (nimation desarrolla el robot "(MA ="rogrammalbe (ni:ersal Mac1ine

3or Assembl4> con las especi3icaciones de +eneral Motors7 Este robot 1a sido uno de losm0s populares en la industria por a6os 4 su modelo 1a ser:ido como base para muc1osposteriores dise6os7 Adem0s es el objeto de numerosos estudios teóricos7

El pro3esor Ma9ino de la (ni:ersidad de amas1i de $apón2 presenta en F-2 elconcepto del robot #CARA =#electi:e Compliance Assembl4 Robot Arm>2 5ue permitetener un per3ecto manipulador para el ensamblado de piezas7

1.) DE*INICIÓN DE ROBOT%

En la actualidad el término de @robot es mu4 conocido entre la gente2 inclusi:ea5uellos 5ue no tienen conocimiento de la automatización o disciplinas a3ines7 Estapalabra est0 incluida en muc1os de los diccionarios de todas las lenguas en el mundo7 'etodas maneras este término no e?istía 1asta el a6o -7 En este idioma la palabra@robota 1ace alusión al concepto de @3uerza de trabajo o ser:idumbre7

'esde esa aparición2 este término se generaliza tanto 5ue se comienza a utilizar paradenominar a los autómatas construidos en los a6os :einte 4 treinta7 Adem0s se utilizópara promociones de productos2 películas 4 algunas otras aplicaciones comerciales7

Como se 1a dic1o2 al principio de la 1istoria de los robots2 estos estaban dise6adoscon la 3inalidad de 5ue se asemejen lo ma4ormente posible a los seres :i:os2 lo 5ue

cambia a principios de / con pensadores como Leonardo &orres ue:edo7

Na4 5ue aclarar 5ue el termino robot no puede considerarse ajeno a la asociación dela idea con el trabajo 4 producción7 A pesar de 5ue en la actualidad e?isten autómatas 5uetienen un 3in de entretenimiento 4 di:ersión2 su principal 3unción es de realizar un trabajoespecí3ico7

1., DE*INICIÓN MANIPULADOR%

(n manipulador consiste en una serie de eslabones conectados a tra:és dearticulaciones robóticas o prism0ticas7 El mo:imiento de una articulación supone elmo:imiento de todos los eslabones conectados a ella =a tra:és de di3erentes eslabones 4articulaciones>7 El mo:imiento de la articulación se realiza con un mecanismo actuador7 El


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-

actuador puede conectar dos eslabones directamente o a tra:és de un reductor 5uegeneralmente proporciona una ganancia en el par o 3uerza suministrada7

1.$ DISCIPLINAS DE LA ROBÓTICA%

La robótica es la rama de la ciencia 5ue aglutina algunos conocimientos de ciertasdisciplinas tales como

• Mec0nica el 0rea mec0nica se encarga del dise6o 4 construcción de lasestructuras 3ísicas de los eslabones7 Adem0s conceptos mec0nicos son utilizadospara de3inir la cinem0tica 4 din0mica del robot manipulador7

• Electrónica esta 0rea se encarga de todos los dispositi:os electrónicos 5ue

ser:ir0n como 1erramientas para el robot manipulador7 Entran a5uí la teoría sobrelos sensores2 la electrónica analógica2 la digital 4 su base de computadores omicrocontroladores7

• In3orm0tica la in3orm0tica se utiliza para los lenguajes de programación 4 sistemasoperati:os 5ue utilizan los microcontroladores encargados del control autom0ticodel robot7

• Control esta disciplina aplica la &eoría de Control Autom0tico para los reguladorespara motores 4 el control din0mico7 Actualmente se est0 trabajando con én3asis enla Inteligencia Arti3icial7

Así es importante decir 5ue al dise6ar un robot manipulador por completo esindispensable realizar un estudio de cada una de estas disciplinas7

1.& GRADOS DE LIBERTAD

"or otro lado 4 an m0s importante 5ue la de3inición2 es el grado de libertad2 elcual de3ine al nmero de mo:imientos independientes 5ue puede realizar cadaarticulación con respecto a la anterior7

El nmero de grados de libertad de las articulaciones 5ue lo componen =cada unode los mo:imientos independientes 5ue puede realizar el e?tremo e3ecti:o delmanipulador en el espacio tridimensional>7 'ado 5ue generalmente se utiliza nicamentepares cinem0ticos de un grado de libertad2 entonces los +'L de un robot industrial sueleser igual al nmero de articulaciones 5ue este posee7


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1

1.( ESTRUCTURA DE ROBOTS MANIPULADORES%

(n Robot manipulador est0 compuesto en la actualidad por algunos elementos2los cuales ser0n nombrados a continuación

• #istema Mec0nico =Eslabones 4 Articulaciones>7• Actuadores 4 Reductores7• #istema #ensorial7• #istema de control7

1.+ SISTEMA MEC/NICO 0ESLABONES ' ARTICULACIONES%

(n manipulador industrial con:encional es una cadena cinem0tica abierta 3ormada

por un conjunto de elementos de la cadena interrelacionados mediante articulaciones7 Enla robótica los elementos se denominan @eslabones 4 las articulaciones se los conocencomo @pares cinem0ticos7 Estas ltimas son las 5ue permiten el mo:imiento relati:o entrelos sucesi:os eslabones7 Esto se puede obser:ar en la !igura

Fig. 1.- Cadena cinemática abierta.

E?isten algunos pares cinem0ticos2 5ue se di3erencian b0sicamente por el tipo demo:imiento relati:o 5ue permiten entre un eslabón 4 otro2 así e?isten pares rotatorios2prism0ticos2 cilíndricos2 entre otros como se muestra en la !igura -7


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Fig. .- Ti!"# de artic$%aci"ne# !ara r"b"t#.

1.- ACTUADORES ' REDUCTORES%

#e denomina como actuadores a los dispositi:os 5ue generan las 3uerzas o paresnecesarios para @animar la estructura mec0nica2 es decir 5ue permiten el mo:imiento delos determinados pares o articulaciones7

#u naturaleza :aría segn el sistema 5ue utilicen2 por lo tanto e?isten actuadores1idr0ulicos2 eléctricos 4 neum0ticos7 Independientemente del tipo de actuador2 estos

dispositi:os reciben la se6al desde el computador o microcontrolador del manipulador 4de esta manera realizan un mo:imiento en particular7

(no de los principales problemas 5ue e?iste para los actuadores es la necesidaddel empleo de elementos reductores 5ue tienen el objeto de adaptar el par 4 la :elocidadde salida del actuador para el correcto mo:imiento de los eslabones del robot7

Las características principales de los reductores son


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12

• Bajo peso2 tama6o 4 rozamiento7• Capacidad de reducción ele:ada en un solo paso7• Mínimo momento de inercia7• Mínimo juego o @Bac9slas17• Alta rigidez torsional7

Tab%a 1.- Caractertica# de %"# red$ct"re# !ara %a r"b'tica.

Actualmente se 1a conseguido obtener actuadores 5ue poseen un accionamientodirecto2 lo 5ue permite mo:er la estructura mec0nica sin la necesidad del empleo de

engranajes u otras transmisiones7 Con esto se logró eliminar los problemas mec0nicosin1erentes a la aplicación de estos elementos2 adem0s el control es m0s sencillo 4 r0pido7

1.1 SISTEMA SENSORIAL%

#on elementos electrónicos 5ue permiten la interacción del robot con su entorno7'e esta manera le es posible al manipulador tener la capacidad de manejarse en elespacio en el 5ue est0 destinado7 A continuación se realiza una enumeración de las

di3erentes 3ormas de clasi3icar a los sensores

• 'irectosPIndirectos7• Acti:os =generadores>P"asi:os =Modulares>7• Resisti:os2 capaciti:os2 inducti:os7• &ermoeléctrico2 piezoeléctrico2 3otoeléctrico7• LocalesPremotos7• AnalógicosP'igitales7


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1)

• Entre otros7

1.11 SISTEMA DE CONTROL%

Este sistema est0 encargado de controlar el mo:imiento del mecanismo a tra:ésdel tiempo7 'e esta manera se logra realizar el trabajo para el 5ue el robot est0 destinado7Este es un sistema de alta complejidad2 4a 5ue los modelos matem0ticos para el controlson complejos7

E?isten algunas técnicas de control 5ue se aplican al robot2 entre los 5ue podemosdi3erenciar los principales

• Control de "osición Qnicamente se busca controlar la posición del e3ector 3ina delrobot manipulador7

• Control Cinem0tico #e controla la :elocidad 5ue tiene el conjunto7• Control 'in0mico #e realiza un control sobre los motores2 considerando las

propiedades din0micas del manipulador7• Control Adapti:o Es un sistema de control de 3orma continua 4 autom0tica 5ue

determina la :ariación de los par0metros del manipulador con respecto a laposición7

1.12 CARACTERÍSTICAS DE LOS ROBOTS MANIPULADORES%

"ara poder entender a cabalidad el tema 5ue concierne este trabajo dein:estigación es necesario determinar algunas características b0sicas 5ue poseen losrobots manipuladores 4 5ue permiten desarrollar el tema con una mejor noción del caso7

1.12.1 CONFIGURACIÓN BÁSICA DE UN ROBOT MANIPULADOR:

Na4 5ue de3inir 5ue un robot manipulador no es m0s 5ue un dispositi:o 5ue tratade emular un brazo 1umano2 no con la 3inalidad de parecerse a este2 sino de imitar sus

mo:imientos7

"or lo 5ue pasa poder catalogar 4 de3inir la con3iguración b0sica de unmanipulador se 1a simpli3icado en tres elementos mec0nicos2 los cuales ser0ncomparados con sus 1omólogos 3ísicos 1umanos2 como se puede :er a continuación en la!igura K7


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1,

Fig. (.- Ana%"g&a de $n r"b"t mani!$%ad"r c"n e% #er )$man".

1.12.2 Estructura:

La estructura de un robot manipulador2 est0 compuesto generalmente por tressubestructuras 5ue est0n conectadas una con otra 1asta generar la parte m0s general delrobot7

Esta parte contempla tres elementos2 5ue al compararse con los 1umanos sepuede obser:ar lo siguiente

• Cintura =arms8eep> "or lo general este elemento se encuentra en la base delmanipulador 4 permite tener mo:ilidad similar a una cintura 1umana7

• Nombro =s1oulder> Emula la mo:ilidad de un 1ombro7• Codo =elbo8> Emula la mo:ilidad de un codo7

1.12.3 Mu!ca:

En las aplicaciones industriales e?istentes algunos tipos de mu6ecas2 de todas

maneras la m0s comn es la 5ue se distingue por tener tres articulaciones independientes5ue se denominan en el campo de la robótica como

• Balance =Roll>7• Cabeceo ="itc1>7• +ui6ada =a8>7


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1$

1.12." EFECTOR FINAL O ELEMENTO TERMINAL:

Es el elemento analógico a la mano 1umana 4 est0 determinada para proporcionar al robot :arias posibilidades m0s de mo:imiento7 #u objeti:o es permitir la ejecución de latarea especí3ica del robot7

"ara este elemento se puede ubicar tenazas2 garras o manos mec0nicas21erramientas especí3icas 4 también sensores7

• &enazas2 garras o manos mec0nicas Estas 3uncionan con base en un sinnmerode mecanismos 5ue sir:en para 5ue el e3ecto 3inal pueda manipular un objeto7 #erealizan las siguientes acciones recoger2 sostener2 mo:er2 etc7 "ara ejemplos2obser:a la !igura D7

Fig. *.- Di#!"#iti+"# de Agarre , S$eci'n !ara Mani!$%ad"re# Ind$#tria%e#.

• "ara las 1erramientas 5ue se utilizan como e3ector 3inal se pueden encontrarpistolas pul:erizadoras para pintura 4 metalizado2 e5uipos de soldadura =por puntos o por arco>2 taladros2 pulidoras2 etc7 Como se mira en la !igura .7


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1&

Fig. .- /erramienta !ara #"%dad$ra en $n r"b"t ind$#tria%.

• E?isten algunos robots industriales 5ue est0n destinados nicamente a poseer ensu e3ecto 3inal sensores 5ue utilizan para la inspección 4 controlar de calidad depiezas7 'e tal manera 5ue se logre un mejor control 4 llegar a lugares de di3ícilacceso7 Adem0s e aplican sensores para bs5ueda e identi3icación de objetos7

1.1) VOLUMEN DE TRABA8O%

#e domina :olumen de trabajo al conjunto de puntos 5ue pueden ser alcanzadospor el pun to e3ecti:o del robot manipulador =en espa6ol se de3ine como "CN puntocentrado de la 1erramienta>7 Obser:e !igura H7


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1(

Fig. 0.- $nt" centrad" de %a )erramienta.

Este *olumen de trabajo depende del tipo de estructura del robot 4 de lasdimensiones de los eslabones7 "or esta razón es 5ue los :olmenes de trabajo son

característicos para cada tipo de robot manipulador :éase la !igura JS 4 las dimensionesde estos :olmenes ser0n características por las dimensiones del manipulador7

Fig. 2.- 3"%4mene# de traba" !ara di5erente# e#tr$ct$ra#.

Este concepto es b0sico para poder de3inir las propiedades posibles aplicacionesdel robot2 4 por ende los robots comerciales traen esta in3ormación en su documentacióntécnica por medio de una :ista superior 4 lateral del :olumen de trabajo7 Cabe decidirse5ue para este :olumen2 de las especi3icaciones2 no consta la 1erramienta 3inal2 4a 5ueesta depende de la aplicación 5ue se destine al robot7

1.1, CON*IGURACIONES DE LOS ROBOTS.

CONFI67RACI8N CARTESIANA9 "osee tres mo:imientos lineales2 es decir2tiene tres grados de libertad2 los cuales corresponden a los mo:imientos localizados enlos ejes T2 4 U2 los mo:imientos 5ue realiza este robot entre un punto 4 otro son conbase en interpolaciones lineales2 interpolación2 en este caso2 signi3ica el tipo de tra4ectoria


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1+

5ue realiza el manipulador cuando se desplaza entre un punto 4 otro2 a la tra4ectoriarealizada en línea recta se le conoce como interpolación lineal 4 a la tra4ectoria 1ec1a deacuerdo con el tipo de mo:imientos 5ue tienen sus articulaciones se le llama interpolaciónpor articulación7

Fig. :. C"n5ig$raci'n carte#iana !ara $n R"b"t

CONFI67RACI8N CI;


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1-

Fig. 1>. C"n5ig$raci'n !"%ar !ara $n R"b"t.

C"n5ig$raci'n ang$%ar ?" de bra@" artic$%ad"9 "resenta una articulación conmo:imiento rotacional 4 dos angulares2 aun5ue el brazo articulado puede realizar el

mo:imiento llamado interpolación lineal =para lo cual re5uiere mo:er simult0neamente doso tres de sus articulaciones>2 el mo:imiento natural es el de interpolación por articulación2tanto rotacional como angular2 adem0s de las cuatro con3iguraciones cl0sicasmencionadas2 e?isten otras con3iguraciones llamadas no cl0sicas7

Fig. 11. C"n5ig$raci'n ang$%ar de bra@" artic$%ad".

1.1$ CLASI*ICACIÓN BASADA EN EL TIPO DE ENERGÍA DELACTUADOR

Esta 3orma de clasi3icar a los robots se basa en las características del actuador 5ue utiliza para su mo:imiento2 por esta razón e?isten b0sicamente tres

/IDR7;ICOS9

Estos actuadores tienen una gran relación parPpeso2 es decir 5ue tienen pesos 4tama6os relati:amente pe5ue6os en comparación a la capacidad 5ue poseen paradesplazar cargas mu4 pesadas7 Adem0s son r0pidos robustos 4 baratos7

Entre sus incon:enientes se encuentran 5ue son propensos a 3ugas de aceite2 lo5ue adem0s de contaminación2 presenta un problema para la acti:idad 5ue ejerce el


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2

manipulador7 &ambién se encuentra el incon:eniente de 5ue su manutención es m0s di3ícil5ue los otros tipos de actuadores7

NE7MTICOS9

Estos actuadores utilizan aire comprimido como 3luido de trabajo 4 tienen algunascaracterísticas similares a los 1idr0ulicos7 %o tienen una gran relación parPpeso2 pero3uncionan correctamente para cargas medianas7

A di3erencia con los 1idr0ulicos2 estos actuadores no tienen el gra:e problema delos neum0ticos en cuanto a las 3ugas2 pero es importante determinar 5ue el sistema decompresión del aire resulta ser un punto de des:entaja con otros actuadores7

E;CTRICOS9

Los actuadores eléctricos resultan ser los m0s 30cil de controlar 4 mantener de los:istos anteriormente2 de todas maneras sea relación parPpeso no 1a sido tan buena a lolargo de la 1istoria7 A pesar de esto2 en la actualidad se 1an desarrollado buenasalternati:as para suplir este 1ec1o 4 se pueden encontrar actuadores eléctricos 5uesuplen 30cilmente el re5uerimiento de parPpeso7

E?isten algunos tipos de actuadores eléctricos dependiendo de las característicaseléctricas del mismo7 Así se puede encontrar motores de corriente continua2 motores decorriente alterna2 motores tipo paso a paso2 etc7

'e lo anterior se puede 4a de3inir el robot manipulador 5ue ser0 e objeto de estetrabajo de in:estigación como un robot angular con actuadores eléctricos7

1.1( SERVOMOTORES%

(n ser:omotor =también llamado #er:o> es un dispositi:o similar a un motor decorriente continua2 5ue tiene la capacidad de ubicarse en cual5uier posición dentro de surango de operación2 4 mantenerse estable en dic1a posición7 Est0 con3ormado por unmotor2 una caja reductora 4 un circuito de control7 Los ser:os se utilizan 3recuentementeen sistemas de radio control 4 en robótica2 pero su uso no est0 limitado a estos7 Esposible modi3icar un ser:omotor para obtener un motor de corriente continua 5ue2 si bien

4a no tiene la capacidad de control del ser:o2 conser:a la 3uerza2 :elocidad 4 baja inercia5ue caracteriza a estos dispositi:os7

(n ser:o normal o #tandard tiene K9g por cm7 de tor5ue 5ue es bastante 3uertepara su tama6o7 &ambién potencia proporcional para cargas mec0nicas7 (n ser:o2 por consiguiente2 no consume muc1a energía7


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21

La corriente 5ue re5uiere depende del tama6o del ser:o7 %ormalmente el3abricante indica cual es la corriente 5ue consume7 Eso no signi3ica muc1o si todos losser:os :an a estar mo:iéndose todo el tiempo7 La corriente depende principalmente delpar2 4 puede e?ceder un amperio si el ser:o est0 encla:ado7

&I"O# 'E #ER*OMO&ORE#

Na4 tres tipos de ser:omotores7 #er:omotores de CC-7 #er:omotores de ACK7 #er:omotores de imanes permanentes o Brus1less7

• M"t"r de c"rriente c"ntin$a.-Es el elemento 5ue le brinda mo:ilidad al ser:o7Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales2 este motor gira en un sentido a su:elocidad m0?ima7 #i el :oltaje aplicado sus dos terminales es in:erso2 el sentido de giro

también se in:ierte7

• Engranae# red$ct"re#.-#e encargan de con:ertir gran parte de la :elocidad degiro del motor de corriente continua en tor5ue7

• Circ$it" de c"ntr"%.-Este circuito es el encargado del control de la posición delmotor7 Recibe los pulsos de entrada 4 ubica al motor en su nue:a posición dependiendode los pulsos recibidos7

Fig. 1.- Circ$it" de C"ntr"%.

1.1#.1 PARTES DE UN SER$OMOTOR


22/67

22

Fig. 1(.- arte# de $n #er+"m"t"r.

Los ser:omotores tienen K terminales

7 &erminal positi:o Recibe la alimentación del motor =D a F :oltios>-7 &erminal negati:o Re3erencia tierra del motor =/ :oltios>K7 Entrada de se6al Recibe la se6al de control del motor

Los colores del cable de cada terminal :arían con cada 3abricante el cable del terminalpositi:o siempre es rojoV el del terminal negati:o puede ser marrón o negroV 4 el delterminal de entrada de se6al suele ser de color blanco2 naranja o amarillo7

7

Fig. 1*.- C"nei'n de #er+"m"t"r.

1.1+ KINECT%


23/67

2)


24/67

2,

sensor2 de las coordenadas =?242z> de di3erentes puntos o articulaciones del cuerpo1umano7

• Cámara R6B9 permite capturar im0genes a color en un espacio -'con resoluciónde HD/WDF/ pi?eles7

• Arreg%" de micr'5"n"#9 capturan audio 5ue se encuentren dentro del entorno del

sensor2 permitiendo anular ecos u otro tipo de ruido 5ue a3ecte el reconocimientode :oz7

La tabla muestra las características para el correcto 3uncionamiento del sensor7

Tab%a .- Caractertica# de% #en#"r.

Las características mencionadas en la tabla se re3ieren a

• ;&nea de +i#ta )"ri@"nta%9 Angulo m0?imo de pro4ección 5ue 3orman los :érticesde la super3icie 5ue abarca el sensor de 3orma 1orizontal7

• ;&nea de +i#ta +ertica%9 Angulo m0?imo de pro4ección 5ue 3orman los :értices dela super3icie 5ue abarca el sensor de 3orma :ertical7

• Rang" de %a ba#e m"t"ri@ada9 es el rango 5ue puede rotar el motor de la basede 3orma :ertical7

• Rang" de% #en#"r de !r"5$ndidad9 la distancia 5ue tiene 5ue mantener el

usuario con respecto al sensor2 para 5ue el sensor pueda entregar datos correctos7

En la 3igura se muestra la línea de :ista del sensor de 3orma 1orizontal 4 :ertical en la3igura también se obser:a la distancia mínima 4 m0?ima 5ue cubre el sensor2estableciendo así el 0rea 5ue deber0 ser ocupada por el usuario7

Fig. 10.- 3i#ta de #en#"r inect.


25/67

2$

CAPÍTULO II

DISE9O *UNCIONAL DEL MANIPULADOR.

2.1 ASPECTOS PREVIOS AL DISE9O *UNCIONAL.

El dise6o 3uncional del manipulador comprende de un estudio para determinar la

geometría del robot industrial de tal manera 5ue cumpla con ciertas características2 tantodel espacio 5ue ocupa2 pero 3undamentalmente en cuanto a su 3uncionamiento7

El objeti:o del presente estudio es realizar un dise6o de un robot manipulador angular @tipo A%&RO"OMOR!ICO tomando en cuenta lo siguiente

• 'ebe tener D grados de libertad• 'ebe tener una capacidad de le:antar pesos de -./ gramos• 'ebe utilizar actuadores eléctricos7• 'ebe tener un 0rea de trabajo de D/cm T D/ cm7• 'ebe imitar el mo:imiento del brazo 1umano mediante un


26/67

2&

Adem0s 1a4 5ue considerar 5ue este robot no estar0 destinado a realizar nicamente una 3unción2 sino 5ue ser0 sometido a :arias aplicaciones7 Con estos datosse proceder0 a realizar la apro?imación geométrica del dise6o7 "ara lo cual2 no se utilizaraun planteamiento de un problema nico2 sino el de un :olumen de trabajo

2.1.1 LE$ANTAR PESOS:

Al momento de mo:er una pieza de -./ gr de un lugar a otro entonces se tiene 5ue saber 5ue

• El agujero 5ue se utiliza para mo:er la pieza est0 a una altura de /mm7• El agujero tiene unas dimensiones de /mm 4 tiene un anc1o de -/mm7

Fig. 1(.- ie@a > gram"#.

2.1.2 REALI%AR ACTI$IDADES SIMILARES A UN BRA%O &UMANO:

Estas acti:idades inclu4en a

• El robot deber0 imitar el mo:imiento de un brazo 1umano en tiempo real7 'e estamanera la longitud del brazo 1umano ser0 un buen ejemplo de lo necesario encuanto a la capacidad espacial del manipulador7

• El robot manipulador debe tener un alcance 1orizontal apro?imado de KJH7D/ mmdesde el origen 5ue estar0 situado en el eje de la base2 1asta el elemento 3inal7Esto se muestra en la siguiente !igura D7


27/67

2(

Fig. 1*.- A%cance de% r"b"t mani!$%ad"r.

2.2 CON*IGURACIÓN ANTROPOMOR*ICA DE , GDL%

Esta con3iguración se distingue por tener una misma línea perpendicular a los ejesde los pares rotatorios2 es decir 5ue sus eslabones est0n alineados a un mismo plano

Fig. 1.- C"n5ig$raci"ne# de% r"b"t.

2.) CON*IGURACIÓN DEL BRAZO%

El brazo del robot es una pieza mu4 importante por lo 5ue su geometría

determinar0 muc1as condiciones constructi:as 4 de 3uncionalidad7 "or esta razón seescoger0 entre la con3iguración m0s adecuada7

Esta con3iguración de brazo ser0 capaz de albergar en su interior a losser:omotores 5ue generaran el mo:imiento tanto del brazo como del antebrazo7

Esto simpli3ica en gran manera su geometría 4 adem0s 1ace 5ue los ser:omotores se encuentren directamente acoplados a los ejes2 lo 5ue simpli3ica el control de


28/67

2+

los mismos7 "or estas razones2 esta ser0 la con3iguración elegida para el objeto de estetrabajo7

2., CON*IGURACIÓN DEL ANTEBRAZO%

La con3iguración para el antebrazo del robot lo sita en la misma línea 5ue el ejenmero 7 Es decir 5ue presenta un brazo sin ma4or distancia e?istente entre el eje derotación del cuerpo 4 su eje de acción7

#i bien esta con3iguración no tiene :enta espacial2 esta presenta :entajasestructurales al momento de minimizar la distancia 5ue e?iste entre el eje nmero 4 ele3ector 5ue le:antara la carga7

"or lo tanto esta con3iguración mencionada ser0 utilizada en este prototipo7

2.$ CON*IGURACIÓN DEL E*ECTOR *INAL%

El robot tendr0 una como con3iguración del e3ector 3inal una pinza =griper> con unaapertura de / a -/Y capaz de sostener una carga de -./ gr7

2.& GEOMETRÍA DEL ROBOT%

Esta geometría tendr0 5ue responder a las necesidades de los mo:imientosangulares 5ue es capaz de realizar el robot manipulador tipo antropomór3ico de D +'L7

2.'.1 ESLABÓN TIERRA:

El eslabón tierra correspondiente a la base sobre la cual el robot estar0 asentando7Este ser0 denominado como el eslabón nmero / 4 no tiene mo:imiento alguno7

Este elemento ser0 al 5ue se le denomine como re3erencia 4 por lo tanto tendr0 elorigen de las coordenadas del robot "o =/2 /2/>7

En este caso 4 al tomar en cuenta la ma4oría de robots industriales de este tipodeber0 estar sujeto a otra super3icie7


29/67

2-

Fig. 10.- E#%ab'n tierra.

2.'.2 ESLABÓN BRA%O:

Elemento denominado con el nmero -2 es el 5ue est0 destinado a 3ormar otro par rotatorio entre el cuerpo 4 el antebrazo7 La geometría sugerida para este elemento sepuede obser:ar en la siguiente 3igura J7

Fig. 12.- E#%ab'n bra@".

2.'.3 ESLABÓN ANTEBRA%O:


30/67

)

En este caso utilizaremos una geometría de prisma recto de base rectangular 4 lodenominaremos con eslabón nmero K7 La geometría descrita se puede apreciar en laimagen F7

Fig. 1:.- E#%ab'n antebra@".

2.'." EFECTOR FINAL:

Este elemento deber0 consistir en una pinza la cual ser0 capaz de sujetar la cargade -./ gr7 &omando en consideración 5ue no debe de perder el tono de los dem0seslabones2 este elemento ser0 determinado considerando las 3acilidades posibles almomento de su construcción :er imagen 7

Fig. 1=.- E5ect"r 5ina%.

CAPÍTULO III

DISE9O MEC/NICO ESTRUCTURAL DEL ROBOT


31/67

)1

).1 GENERALIDADES%

El dise6o mec0nico del robot consta del estudio estructural del manipulador de talmanera 5ue sus dimensiones2 materiales2 componentes 4 dem0s elementos del robot

cumplan con las especi3icaciones constructi:as7E?isten - en3o5ues 5ue deben considerarse al dise6ar un robot7

7 El primero consiste en construir un robot especializado para 1acer una tareaespecí3ica2 por lo 5ue es posible determinar las características mínimas necesariaspara su 3uncionamiento lo 5ue a su :ez generar0 una menor di3icultad de dise6o7

-7 El segundo es el de construir un robot uni:ersal 5ue pueda realizar una amplia:ariedad de tareas por lo 5ue buscaremos englobar una :ariedad de par0metros 4combinaciones 3uncionales2 lo 5ue di3icultara el proceso de dise6o7

El segundo en3o5ue es el 5ue nos acontece en este trabajo de in:estigación7

"or ltimo es importante agregar 5ue se aplicaran 1erramientas computacionales aldise6o del robot2 se apro:ec1ar0 el uso de la plata3orma de #olid8or9s -/DZ para lasimulación de elementos 4 materiales ante los es3uerzos 4 reacciones 5ue se puedangenerar7

).2 DE*INICIONES INICIALES%

Antes de comenzar a determinar el dise6o mec0nico del robot es mu4 importantetener en cuenta algunas de3iniciones7

).) ALCANCE DEL DISE9O MEC/NICO ESTRUCTURAL DEL ROBOTMANIPULADOR%

En !! 564o ! 3!6"


32/67

)2

Estas 3uerzas crean un e3ecto de sostenimiento desde el punto de :ista delrozamiento2 la 3uerza de sujeción acta como una 3uerza normal2 la :erdadera3unción de sujeción la realizan las 3uerzas de rozamiento !R 5ue se crean segnla le4 de rozamiento de Coulomb2 en una dirección opuesta a la de mo:imiento 4opuesta a la 3uerza +2 debida al peso del objeto sujetado7

G=¿ m∗G

µ∗n [1]

F ¿

Variables en la fórmula:

FG = Fuerza mínima requerida de sujeción en N.G = Fuerza debida al peso del objeto en N.g = Aceleración de la graedad en m!s".m = #asa de la pieza en $g.n = N%mero de dedos o mandíbulas.µ= &oeficiente de rozamiento entre la mandíbula ' el objeto.

G=¿ .25 kg(2.4525 N )

(.51)∗(2) F ¿

G=¿0.6011 N F ¿

*4!3


33/67

))

F r=µ∗ N

n [2]

V63"6! !n 6 ;J3=46%

N P!o #! o!o 6 !F6n63 !n N!on.n = N%mero de dedos o mandíbulas.µ= &oeficiente de rozamiento entre la mandíbula ' el objeto.

F r=.51(2.4525 N )

(2)

F r=0.62538 N

An"" 5"n!="5o #! 3"!3.

6 MoF"="!no A5!n#!n! D!5!n#!n!.

G=¿

m ( g+a )∗Sµ∗n [3]

F ¿

G=¿

.25kg(9.81 ms2+.001644 m

s2 )∗2

.51(2) F ¿

G=¿ 4.809629 N F ¿

MoF"="!no 6!36


34/67

),

G=¿ m∗g∗S

µ∗n +m∗a[3]

F ¿

G=¿

.25kg(9.81 ms2 )∗2.51(2)

+( .25kg∗.001644 m

s2)

F ¿

G=¿ 4.809234 N F ¿

3.".2 T+r/u!

"ara la elección de los actuadores a utilizar en las distintas articulaciones del brazorobótico es importante partir del c0lculo de tor5ue2 para ello es necesario de3inir todas las

3uerzas a las 5ue ser0 sometido el brazo2 4 adem0s se6alar 5ue para este an0lisis el pesode la carga 5ue le:antara el brazo mec0nico es considerado despreciable por lo 5ue elc0lculo se basara en el peso mismo de las partes mec0nicas del brazo7 "artiendo deestas consideraciones se de3inen los par0metros necesarios para el c0lculo del tor5ue amanejar por cada actuador7

1. P!o #! 56#6 !6Jn.2. P!o #! 56#6 63"5465"Jn 0!o #! 6546#o3.). P!o #! o!o 6 !F6n63 0#!3!5"6! 636 !! 56o.,. D"6n5"6 !n3! 63"5465"on!.

Don#!%

M1=oo3 B6!.

M2 =oo3 #! o=3o.

M)=oo3 #! 5o#o.

M, S!3Fo =!56n"=o #! =47!56 "n


35/67

)$

L1D"6n5"6 #! 3"=!3 !6Jn% 21.$ 5= 0!6Jn o=3o 5o#o.

L2D"6n5"6 #! oo3! =47!56?"n4! ! 6 ;4!34! ! =4""56 o3 ! 63o#! 6 66n56. Enon5!%

τ = F ∗ D

E o3>4! 3!>4!3"#o o3 56#6 6546#o3 !63 #6#o o3 6 4=6o3"6 #! o

3o#45o !n3! 6 #"6n5"6 6 ;4!3


36/67

)&

τ M 1=4.4692 kg.cm

P636 ! 6546#o3 M2.

τ M 2= L1

2(W 1 )+

L2

2(W 3 )+ L2 (W 2 )

τ M 2=21.5 cm

2(.085 kg )+

14.5 cm

2(.09kg )+14.5 (.102 kg )

τ M 2=3.0452 kg.cm

P636 ! 6546#o3 M).

τ M 3= L2

2(W 3 )+ L2 (W 2 )

τ M 3=14.5 cm

2 (.09 kg )+14.5 ( .102kg )

τ M 3=2.1315 kg.cm

P636 ! 6546#o3 M,.

τ M 4= L32

(W 4 )+ L3 (W 3 )

τ M 4=8.525 cm

2( .086 kg )+8.525cm(.09kg)


37/67

)(

τ M 4=.792825 kg.cm

En o 554o ! "!n! ! o3>4! 3!>4!3"#o o3 o 6546#o3! #! 663"5465"on! #! 36


38/67

)+

τ M 3= L2

2(W 3 )+ L2 (W 2 )+ Lc (Wc)

τ M 3=14.5 cm

2(.09 kg )+14.5 ( .102kg )+3.5 (.250 kg )=¿

τ M 3=3.0065 kg.cm

P636 ! 6546#o3 M,.

τ M 4= L3

2

(W 4 )+ L3 (W 3 )+ Lc (Wc)

τ M 4=8.525 cm

2( .086 k g )+8.525 cm(.05kg)+3.5 ( .250 kg )=¿

τ M 4=1.667825 kg .cm

Tabla 1.Requerimiento de los torques de actuadores.

Art-cu0ac-+!s

T+r/u!Ca0cu0a*+ s-

cara

T+r/u!ca0cu0a*+c+ cara

Actua*+r!0!-*+

T+r/u!*!0

actua*+r!0!-*+

M1 4.4692 kg.cm 5.3445 kg. cm TowerPro MG 99 10.0 kg.cm

M2 3.0452kg.cm 3.9202kg. cm TowerPro MG99 10.0kg.cm

M3 2.1315 kg.cm 3.0065 kg. cm TowerPro MG 99 10.0 kg.cm

M" .79282kg.cm 1.6678kg. cm TowerPro SG 90 1.80kg.cm

3.". ESFUER%OS CORTANTES


39/67

& ==.

2.(1() N

V V

)-

1. E;4!3


40/67

,

prom=τ prom

G

prom=48.0506 kPa.

6 GPa. =8.0084 ! 10−6

DE*LE@IÓN O DESPLAZAMIENTO

" = prom∗#

" =8.0084 ! 10−6∗( 6 mm)=48.0506 ! 10−6 mm

2. E;4!3


41/67

,1

DE*ORMACIÓN UNITARIA POR ES*UERZO CORTANTE.

prom=τ prom

G

prom=75.738 kPa.

6GPa. =12.623 ! 10−5


" = prom∗#

" =8.0084 ! 10−6∗(6mm )=50.492 ! 10−6mm

). E;4!3


42/67

, ==.

.++2- N

V V

,2

τ prom=

.95176 N

2

3.1416(.004

2

4)

=312.96 Pa .


prom=τ prom

G

prom=312.96 Pa .

6GPa. =52.16 !10−9


" = prom∗#

" =8.0084 ! 10−6∗(6mm)=208.64 !10−9 mm

,. E;4!3


43/67

,)

τ prom=V

A=

V

π ( D

2

4)

τ prom= .44145 N

3.1416(.004

2

4)=35.129 kPa.


prom=τ prom

G

prom=35.129 kPa.

6GPa. =5.8548 ! 10−6


" = prom∗#

" =8.0084 ! 10−6∗( 6 mm )=23.4193 ! 10−6 mm


44/67

,,

CAPÍTULO IV

CINEM/TICA ' DESARROLLO DEL BRAZO ROBÓTICO

(n robot manipulador puede ser dise6ado 4 programado para di:ersas labores2 sinembargo esta no es una tarea 30cil2 para ello es necesario un en3o5ue analítico de su3uncionamiento de acuerdo a sus características 3ísicas =ar5uitectura2 con3iguración2grados de libertad2 tipo de control2 etc7> por eso resulta importante el desarrollo demodelos matem0ticos7

Este robot tiene una con3iguración angular 5ue cuenta con D +rados 'e Libertad=+'L>2 cada articulación realiza mo:imientos rotatorios desarrollados por actuadores 5uepara este caso son ser:omotores de . :olts de corriente directa =*C'> 4 suposicionamiento se controla a tra:és de su Modulación por Anc1o de "ulso ="GM>7 Cada

par generado por los ser:omotores es transmitido por sistemas de engranaje2 loselementos 5ue integran el brazo manipulador est0n construidos de acrílico7

,.1 ESTRUCTURA DEL BRAZO ROBÓTICO

Como se 1a mencionado anteriormente este Brazo Robótico es de con3iguraciónangular 5ue cuenta con . +'L2 se di:ide en - partes2 el Brazo Robótico 4 la Base+iratoria del Brazo Robótico2 a continuación se mencionan las partes 4 se muestran en un

plano general7

Los detalles de los componentes del brazo manipulador se muestran en el ane?o A7

"artes del Brazo Robótico

• Eslabón 7• Eslabón -7• Mu6eca7• +ripper ="inza>7• #er:omotores 4 Accesorios de sujeción7• Contrapeso7


45/67

,$

"artes de la Base del Brazo Robótico

• Base !ija de L0mina7• Base +iratoria7• #er:omotor 4 accesorios de sujeción7

Fig. 1.- I#"mtric" 5r"nta%.

Fig. .- I#"mtric" "#teri"r.


46/67

,&

,.2 ESPACIO DE TRABA8O DEL ROBOT MANIPULADOR.

El conjunto de rutas de destino alcanzables para un manipulador dado constitu4esu espacio de trabajo alcanzable2 para un manipulador con n grados de libertad =en donde

n[H>2 este espacio de trabajo alcanzable puede considerarse como una porción de unsubespacio con n grados de libertad7

'e la misma 3orma en 5ue el espacio de trabajo de un manipulador con cuatrogrados de libertad es un subconjunto del espacio2 el espacio de trabajo de un manipulador m0s simple es un subconjunto de su subespacio2 adem0s2 otro 3actor 5ue de3ine elespacio de trabajo2 en los manipuladores robóticos2 es la limitación 5ue tienen susactuadores2 tomando en cuenta estas consideraciones se trazó el espacio de trabajo paranuestro brazo robótico2 el cual se muestra en la 3igura -K7

Fig. (.- rea de traba".

El espacio de trabajo de nuestro brazo manipulador est0 de3inido por los grados delibertad 5ue posee2 5ue en este caso son D +'L2 también se tomaron en cuenta laslimitantes de sus actuadores el 1ombro2 codo2 mu6eca 4 cadera solo nos pueden o3recer

mo:imientos 1asta F/o 2 esto debido a 5ue los ser:omotores no pueden e?ceder esterango2 también se consideraron las longitudes de los eslabones 4 la altura de la baseVsumado todo esto el espacio de trabajo 5uedo de3inido como se muestra en las 3iguras -K4 -D7


47/67

,(

Fig. *.- rea de traba".

,.) MOVIMIENTO DE LAS ARTICULACIONES.

Como se 1a mencionado anterior mente las articulaciones de 1ombro2 codo 4mu6eca2 adem0s de la apertura 4 cierre del gripper2 son mo:idas por ser:omotores 5ueutilizan una se6al de control en lazo abierto para la posición7

,., CONSTRUCCIÓN.

La construcción del brazo robótico se realizó en las instalaciones de la (ni:ersidad"olitécnica de "uebla7 El brazo robótico se compone de di:ersos componentesestructurales 4 de transmisión7 Las piezas estructurales 5ue con3orman la base2 cuerpo2brazo 4 antebrazo inicialmente se bos5uejaron a mano alzada2 para luego realizar el CA'=Computer Aided 'esign> con el so3t8are #olid Gor9s -/D de todo el brazo robótico7

'urante la etapa de dise6o se buscó utilizar la ma4or cantidad de componentes

comerciales de cat0logos7 #in embargo2 del total de las piezas del brazo robótico2 .piezas 3ueron ma5uinadas seis 3ueron 1ec1as en el centro de ma5uinado de C%C=Computer %umeric Control> 4 las nue:e restantes con taladro de banco2 3resa 4 tornocon:encional7 Otras siete piezas comerciales 3ueron modi3icadas en m05uinas

1erramientas con:encionales para ajustarlas a las necesidades del dise6o7 En el Ane" Ase pueden encontrar dibujos de detalle de algunas piezas del brazo robótico7

La tabla -7detalla el material comercial 4 las m05uinas 1erramientas utilizadas paracada pieza7 La 3igura -. muestra algunas m05uinas 1erramientas utilizadas para elma5uinado de algunas de las piezas del brazo robótico

ie@a Ca Materia% 7ti%i@ad" T"rn" Fre#ad"r Ta%adr" CNC


48/67

,+

nt. C"n+enci"na

%

a de banc"

Basein3erior

Acrílico2 placa Hmm T

Basesuperior Acrílico2 placa Hmm T

Brazo Acrílico2 placa Hmm TBrazo - Acrílico2 placa Hmm T

Antebrazo Acrílico2 placa Hmm T Antebrazo - Acrílico2 placa Hmm T#eparador Basegripper

Acrílico2 placa Hmm T

+ripper7 Acrílico2 placa Hmm TBase robot7 Aluminio2 placa Kmm T T

7Tab%a .- Materia%e# $ti%i@ad"#.

Fig. . Ma$ina# )erramienta#.

,.$ INSTRUMENTACIÓN

"ara poder controlar cual5uier sistema 3ísico2 es necesario medir las :ariables 5uese pretenden controlar7 En nuestro caso las :ariables a controlar son los 0ngulos denuestros ser:omotores2 para lograrlo2 es necesario conocer el 0ngulo en 5ue se encuentra

el brazo 5ue capta el


49/67

,-

Fig. 0.- Dimen#i"ne# de% bra@" r"b'tic".

Fig. 2.- Diagrama de m"+imient".


50/67

$

Fig. :.- Diagrama de c$er!" %ibreG tab%a Dena+it- /artenberg.

()NG*+,-/ - ()/ /(A0)N/ -( 01A2) 1)03+*&).• 4o=5.5cm• 46=7• -6=68.9cm• -"=6.9cm• -8=5.5cm

Matriz de 'ena:itNartemberg


51/67

$1

'onde

,.( INTER*AZ ENTRE PROCESSING ' ARDUINO

*amos a empezar este capítulo con el en3o5ue cinem0tica directa7 (saremos losdatos es5ueleto


52/67

$2

iz5uierda o la derec1a2 el 0ngulo de su 1ombro no cambia necesariamente a pesar de suposición lo 1ar07

Fig. 0.- ng$%"# entre# %"# !$nt"# $e $erem"# c"ntr"%ar.

lo mismo pasa con nuestro brazo robot7 !igura -J muestra un bos5uejo de cómoplaneamos armar nuestro brazo robot7 #er:o 2 5ue representa nuestra articulación del1ombro2 ser0 puesto a la mesa7 Contar0 con un rango de mo:imiento de F/ grados 5ue:an desde apuntando directamente 1acia la espalda recta7 %os concedemos un palito depaleta a la bocina de #er:o 5ue girar con su mo:imiento

Fig. 2.- B"#$e" de bra@" r"b'tic".

!igura -J muestra los resultados de nuestro dibujo7 En la primera imagen2 Mi

1ombro est0 casi completamente e?tendido2 le:antando mi brazo 1acia arriba al lado demi cabeza7 Conseguimos una lectura del 0ngulo de H para el 1ombro2 cerca de F/7 Micodo 5uede doblado en un 0ngulo recto 4 estamos :iendo por su :alor7 En la imagencentral2 tanto en el 1ombro 4 el codo est0n dobladas en 0ngulo recto cerca7 Estamosle4endo F para el 1ombro 4 el - para el codo2 5ue es per3ecto7 !inalmente2 en la terceraimagen2 1e ampliado mi brazo derec1o a mi derec1a7 &oda:ía estamos :iendo cerca de/ para el 1ombro =FK>2 pero a1ora el 0ngulo del codo se 1a incrementado a H tal comoes de esperar7


53/67

$)

Fig. 2.- Re#$%tad"# de inter5a@.

,.- RESULTADOS DE MOVIMIENTO DEL ROBOT.

Fig. :.- M"+imient" de% r"b"t.

CAPÍTULO V

CONCLUSIONES


54/67

$,

'entro de las pruebas se obser:ó 5ue el mo:imiento del brazo robótico puede ser un poco brusco2 debido a 5ue las coordenadas entregadas por el 2 debido a 5ue la 3le?ibilidad en los mo:imientos del brazo de la ma4oría delas personas2 no se ajusta a dic1o mo:imiento2 delimitando como consecuencia elmo:imiento del brazo robótico7

!inalmente2 este trabajo produjo un brazo robótico de cuatro grados de libertad25ue puede ser controlado de 3orma natural por cual5uier persona 5ue cuente con lase?tremidades re5ueridas2 sin necesidad de utilizar inter3aces 3ísicas como palancas obotones7

CAPÍTULO VI


55/67

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ANE@O A.DIBU8OS DE DETALLE DE ALGUNAS PIEZAS DEL BRAZO ROBÓTICO

En este ane?o se muestran los dibujos de detalle de tres piezas dise6adas con el

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PROGRAMAS DEL BRAZO ROBÓTICO

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PROPIEDADES DEL ACRILICO%


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reporte final brazo (1)

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