volÚm en 2 nÚmer o 1 enero 2013 - mecamex.net · las redes neuronales, los algoritmos genØticos...

VOLÚMENÚMEROENERO 2

EN 2 O 1 2013

La Mecatrónica en México

Comité Editorial de la Revista

Diseño Gráfico Mónica Vázquez Guerrero

Kikey Stephanie Méndez Sánchez Alejandra Miguel Vargas Mandujano

Vinculación Luis Alberto Aguilar Bautista Luis Antonio Salazar Licea

Miguel Ángel Bacilio Rodríguez

Revisión de Formato Rodrigo Escobar Díaz-Guerrero

Conrado Vargas Cabrera Alejandro de León Cuevas Ángel Juárez Buenrostro

Soporte Técnico Carlos Alberto Ramos Arreguín

Juan Carlos Moya Morales Ma. Del Carmen García López

Ubaldo Geovanni Villaseñor Carrillo

LA MECATRÓNICA EN MÉXICO, Año 2, No. 1, Enero - Abril 2013, es una publicación cuatrimestral editada por la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., Calle Fonología No. 116, Col. Tecnológico C.P. 76158, Querétaro Qro. Tel.(01- 442) 224 0257. www.mecamex.net/revistas/LMEM/ , Editores responsables: Juan Manuel Ramos Arreguín y José Emilio Vargas Soto. Reserva de Derechos al uso exclusivo No. 04-2012-092010534100-102 otorgado por el Instituto Nacional del Derecho de Autor. Responsable de la última actualización este número: Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C., José Emilio Vargas Soto, Calle Fonología No. 116, Col. Tecnológico C.P. 76158, Querétaro Qro. Fecha de terminación de impresión: 12 de Marzo del 2013. Las opiniones expresadas por los autores de los artículos no reflejan la postura de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. Esta revista es una publicación de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., la cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre y cuando los trabajos estén apropiadamente citados, respetando la autoría de las personas que realizaron los artículos.

PROLOGO

Las actividades científicas y académicas en los últimos años han permitido una creciente evolución del

conocimiento como no habíamos tenido antes en la historia de la humanidad. Cada vez es más complejo

realizar una búsqueda de tópicos especializados, debido principalmente a la gran cantidad de información que

podemos encontrar y que no necesariamente nos será de utilidad.

Está claro que los avances en las tecnologías de la Información contribuyen a facilitar la tarea de

búsqueda de información específica, selección y almacenamiento. Sin embargo, al mismo tiempo se desborda

una gran cantidad de información, dificultando precisamente su clasificación y análisis.

Con el propósito de difundir y facilitar el intercambio de conocimientos vinculados con la

investigación y el desarrollo de las tecnologías afines a la Ingeniería Mecatrónica surge ésta revista. El

ejemplar que tienes en tus manos es un esfuerzo que realiza la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.

para dar a conocer a la sociedad los nuevos conocimientos y avances logrados en diversos tópicos de la

Ingeniería Mecatrónica. Espero que la revista contribuya en lograr la comprensión y aplicación de dichos

conocimientos con el propósito de mejorar la calidad de vida en la sociedad.

Confío firmemente en que los temas expuestos en esta edición sean elementos de inspiración para

innovar nuevos productos, procesos o servicios.

Disfrútalos.

Dr. José Emilio Vargas Soto

Fundador

Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.

ÍNDICE

Aplicaciones de la Lógica Borrosa al Control de un Dispositivo Robótico Didáctico de Evasión de Obstáculos y Buscador de Luz. 1 Rocha Morales Jesús Ángel, Jiménez López Eusebio, Núñez Pérez Eduardo, Reyes Ávila Luis, Luna Acosta Noé, Urbalejo Contreras Arturo, Grijalva Mireles Pedro, Madrid Amarillas Germán. Sistema de Telemando Multiplataforma para Robot Móvil. 11 Vargas Cabrera Conrado, Ramos Arreguín Carlos Alberto, Moya Morales Juan Carlos, García López María del Carmen. Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador. 21 Gutiérrez Arias José Eligio Moisés, Rugerio Escalona Rosa María, Morín Castillo María Montserrat. Automatización del Proceso de Embutido Profundo/Semi-profundo. 33 Álvarez Zapata L. A., Sandoval Pineda J. M. y Flores Herrera L. A.

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, páginas 1 � 10, Enero 2013 Disponible en línea en www.mecamex.net/revistas/LMEM ISSN en trámite, © 2012, Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C.

1

Aplicaciones de la Lógica Borrosa al Control de un Dispositivo Robótico Didáctico de Evasión de

Obstáculos y Buscador de Luz

Rocha Morales Jesús Ángel 1, Jiménez López Eusebio2, Núñez Pérez Eduardo3, Reyes Ávila Luis4, Luna Acosta Noé5, Urbalejo Contreras Arturo6, Grijalva Mireles

Pedro7 y Madrid Amarillas Germán8

1,3Universidad La Salle Noroeste

2ULSA Noroeste - CINNTRA de la UTS � IIMM 4Instituto Mexicano del Transporte - IIMM

5,6,8CIAAM de la Universidad Tecnológica del Sur de Sonora (UTS) 7Moctezumaspeakers

Recibido: 15 / Diciembre / 2012. Aceptado: 14 / Enero / 2013. Publicado: 31 / Enero / 2013. © 2012 Rocha Morales Jesús Ángel, et. Al. Este es un artículo de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica, el cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre que el trabajo original esté apropiadamente citado. La revista cuenta con el Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012-092010534100-102.

Resumen. En este artículo se presenta el diseño, la fabricación y el control de un robot evasor de obstáculos con una implementación para seguir la luz. El control del vehículo fue hecho con una técnica de la Inteligencia Artificial llamada Lógica Difusa o Borrosa (método de Mandami). Fueron colocados 3 sensores para la evasión de obstáculos y un sensor diferencial para la guía de la luz (Infrarrojos y fotorresistencias). Fue usado el Micro-controlador: PIC18F4550 para implementar el control del robot. Los actuadores usados para el movimiento del robot son dos motorreductores. El dispositivo robótico funcionó de acuerdo con el control diseñado, por lo que se puede concluir que el método de la lógica borrosa es útil y práctico en el control de vehículos evasores de obstáculos usados para propósitos didácticos. Finalmente, los resultados obtenidos pueden ser usados para la enseñanza de la mecatrónica. Palabras clave: Lógica Borrosa, Robótica Móvil, Educación en Ingeniería, Control.

1. Introducción. De acuerdo con [1], la Mecatrónica es una Ingeniería que integra tres campos principales del

conocimiento: la Mecánica, la Computación y la Electrónica. Para desarrollar los productos y los procesos, la Mecatrónica se auxilia de todas las tecnologías disponibles de sus tres campos primarios incorporando conocimientos de los campos secundarios, tales como las matemáticas, la manufactura, la inteligencia artificial, la robótica, entre otros [2]. La Mecatrónica es un campo de estudio relativamente nuevo. Inició formalmente a finales de los años 60 en Japón y en México tiene un poco

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Aplicaciones de la Lógica Borrosa al Control de un Dispositivo Robótico Didáctico de Evasión de Obstáculos y Buscador de Luz

2

más de dos décadas de haberse constituido como un campo de estudio formal. El poco tiempo que lleva la Mecatrónica en nuestro país hace que las empresas y las universidades no tengan un claro panorama de los grandes beneficios que se obtienen tanto en las aplicaciones industriales como en el proceso formativo de los estudiantes. En la actualidad, cuando menos en las licenciaturas de Ingeniería Mecatrónica, no se tiene una clara metodología de cómo enseñar o cómo proponer sistemas de aprendizaje para el estudio de la Mecatrónica. Cada programa de estudio y cada universidad manejan un perfil y una didáctica propia o bien imitan otros sistemas de enseñanza de universidades nacionales o extranjeras. Por otro lado, otro campo de estudio que tiene la misma problemática es la Inteligencia Artificial (IA). De hecho, de acuerdo con [3], la IA tiene algunos problemas en la enseñanza de la Ingeniería Mecatrónica como por ejemplo: la información es un poco confusa y carece de la difusión adecuada. Una amplia porción del material didáctico disponible trata el tema más a nivel técnico que al nivel ingenieril, haciendo de la Inteligencia Artificial una herramienta que hace más caso a la forma que al fondo. Cuando éste no es el caso, el material tiende a ser elevadamente teórico, dificultando así que el estudiante aterrice dichos conocimientos. El ingeniero que desee implementar una solución donde se aplique la Inteligencia Artificial debe de ser capaz de desarrollar en la medida del problema, siguiendo una metodología que le permita hacer esto sin correr el riesgo de lograr un resultado pobre, tardado o inclusive obsoleto. Además, algunas de las principales razones por las que se dificulta el aprendizaje en estos campos del conocimiento son, por ejemplo, la poca o nula relación que el alumno encuentra entre estas materias y el campo laboral en el cual buscan desarrollarse, así como la apariencia tan abstracta con las que se presentan dichas materias en los salones de clase. Para que la Inteligencia Artificial pueda ser más difundida y aceptada por los alumnos de Ingeniería, es necesario que existan diversas aplicaciones en las que las redes neuronales, los algoritmos genéticos y la lógica difusa puedan ser vistas en la solución de problemas prácticos [4]. Los dispositivos móviles como carritos evasores de obstáculos son ampliamente usados en la didáctica para poner en práctica las aplicaciones de la IA. Por ejemplo, en [3,5] se ha aplicado la lógica borrosa para diseñar el sistema de control de dispositivos móviles y simuladores que evaden obstáculos.

Para continuar con los avances dados en [3,5] relacionados con las aplicaciones de la IA en la

robótica móvil, en este artículo se presenta el desarrollo de un dispositivo robótico móvil el cual evade obstáculos mediante la colocación de sensores y al mismo tiempo sigue la mayor intensidad de luz. El control del dispositivo es diseñado aplicando lógica borrosa. El objetivo es generar aplicaciones de la AI en proyectos didácticos con la finalidad de que los alumnos se motiven y le encuentren sentido al conocimiento teórico visto en los salones de clases.

2. Marco teórico.

En esta sección se describen algunas consideraciones básicas relacionadas con la lógica borrosa o difusa.

2.1 Algunas consideraciones sobre la Lógica Difusa (Mandami). El control por proceso difuso fue primero exitosamente logrado por Mandami (1976) con la

implementación de un sistema difuso para controlar una planta de cemento. Desde entonces, el control difuso ha sido extensamente aceptado, primero en Japón y después alrededor del mundo.

Esta metodología acepta números como entradas, después traslada estos términos numéricos

a términos lingüísticos (como Lento, Medio y Rápido), llamado borrosificación (fuzzification). Las reglas después asignan los términos lingüísticos de entrada a salidas similares. Finalmente los términos lingüísticos de salida son trasladados a términos numéricos, conocido como desborrosificación (defuzzification). La metodología para un control difuso según Mandami es la siguiente [6]:


3

Paso 1. Entradas difusas. Tomar las entradas y determinar el grado por el cual pertenecen a un conjunto difuso. La entrada es un valor numérico y el resultado es un valor de pertenencia en el conjunto

lingüístico (siempre un valor en el intervalo 0 a 1).

Paso 2. Aplicar el operador difuso. Si existen múltiples partes en el antecedente, se aplican operadores de lógica difusa y se

resuelve el antecedente a un único número entre 0 y 1. Éste será el grado de soporte para la regla.

Paso 3. Aplicar el método de implicación El consecuente de una regla difusa asigna todo un conjunto difuso a la salida. El conjunto

difuso está representado por una función de pertenencia que es escogida para indicar las cualidades del consecuente.

Si el antecedente sólo es parcialmente cierto, (Ej. si se asigna un valor menor que 1), entonces el conjunto lógico de salida es truncado de acuerdo al método de implicación.

Paso 4. Agregar todas las reglas En general, una regla por sí sola no sirve de mucho. Se necesitan dos o más reglas que

puedan complementarse una con otra. La salida de cada regla es un conjunto difuso. Los conjuntos de salida difusos para cada regla luego son agregados en un solo conjunto

difuso de salida. Finalmente el conjunto resultante será desborrosificado o resuelto en un número.

3. Metodología. En esta sección se presenta la metodología por medio de la cual se desarrolla el robot móvil y su control. Esto es [7]: 1.- Definir funcionamiento general.

2.- Definir entradas y salidas 3.- Diseño de sensores

3.1.- Ajustes de salida de señal a un estándar 3.2.- Diseño del circuito de ajuste.

4.- Desarrollar lógica borrosa 5.- Construir esqueleto del programa en MATLAB 6.- Diseñar el programa para el PIC18f4550

6.1.- Configuración del ADC y PWM 6.2.- Adaptar el esqueleto del MATLAB para el lenguaje del PIC 6.3.- Depurar y hacer pruebas con el dispositivo completo

7.- Diseñar el circuito del Puente H 8.- Construcción de los circuitos impresos. 9.- Fabricación del chasis y estructuras mecánicas 10.- Ensamble de los subsistemas

4. Resultados.

4.1. Desarrollo

Para que el robot móvil buscador de luz funcione, es necesario establecerlo como un sistema autónomo y definir sus partes principales, entrada, sistema de control o procesamiento, y sistema de salida o actuadores. Éste debe percibir su entorno y en base a esto tomar decisiones para así cumplir con su objetivo.

La MecaAplicacio

4

Psubsistesta msignificel semproximmotorr

4

Bprincipla batecontrol

4

y uno mostra

PP

MathemresultaLDR y

atrónica en Méxicones de la Lógica

4.2. Diseño d

Para un fácil temas que lo

manera si secativa. La figumicírculo es

midad, los óveductores qu

4.3 Sistema

Básicamente al en la estru

ería que sirvel.

4.4 Sistema

Este disposities un detecto

ado en la figur

Para el sensoPor otro ladomatica difere

ado la gráficael eje Y el vo

co, Vol. 2, No. 1,a Borrosa al Con

del dispositiv

rediseño delo componen ae modifica unura 1 muestra

el soporte dalos verdes e imparten el

Fi

mecánico

el sistema muctura del siste de fuente d

de sensores

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Fig

or de luz se uo, para deterntes áreas de

a mostrada enoltaje de salid

Enero 2013 ntrol de un Dispo

vo

l robot, en caa parámetrosn subsistemala estructura

de los sensorepresentan

l movimiento.

gura 1. Estruc

mecánico contema, en el cde energía, s

s

on 4 sensoreserencial. Los

gura 2. Senso

tilizó un arregrminar los vae los comporn la figura 4 ca.

ositivo Robótico D

aso de algunas normalizadoa, esto no afa del dispositivores, los treel sensor d

ctura básica d

nsta de un ccual se sujetasensores y lo

s, de los cualde proximida

or Infrarrojo GP

glo de LDR y alores de lasrtamientos decomo la más

Didáctico de Eva

a modificacióos de entradafecta a las dvo, donde el r

es rectángulode luz, y los

del dispositivo

chasis rectanan los actuadoos circuitos e

les 3 son senad son el GP2

P2Y0A21YK0F

resistencias cs resistenciase diferentes vestable. Los

asión de Obstácu

ón, se optó pas y salidas ddemás parterectángulo reos rojos son

rectángulos

o.

ngular, el cuaores (motorreelectrónicos p

nsores de pro2Y0A21YK0F

F.

como se mues, se graficarvalores y arreejes X y Z, re

ulos y Buscador d

or estandarizde los mismo

es de una mepresenta el c los sensore naranjas so

al sirve de soeductores de para el sistem

oximidad infraFde Sharp co

estra en la figron en el sofeglos, dando epresentan la

de Luz

4

zar los os. De

manera chasis, es de on los

oporte C.D.),

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arrojos omo el

ura 3. ftware como

as dos

La MecaAplicacio

L

D

4

salida dispossalidaspara la

SL: SeSI: SenSM: SeSD: SePWM_PWM_DPI: BDNI: BDND: BDPD: B


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Donde la con

4.5. Sistema

Éste se encaa los actuaditivo dispone

s digitales, disas entradas y

ensor de Luz. nsor de proximensor de proxensor de prox_D: PWM para_I: PWM para it de direcciónit de direcciónBit de direccióBit de direcció


Figura 4

ue rige compo

nstante -2.5 es

de control

arga de analdores. Para e

de diversas spositivos PWsalidas del d

midad izquierximidad medioximidad dereca el motor derel motor izqu

n positiva del n negativa deón negativa dón positiva de


Figura 3. C

4. Gráfica de c

ortamiento de

s agregada p

izar la entradesto se utilizacaracterística

WM y disposispositivo, do

rdo. o.

cho. recho. uierdo.

motor izquieel motor izquieel motor dere

el motor derec

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5V

R

10

R

10

ositivo Robótico D

Circuito senso

comportamien

el sensor es la

or medio de s

da suministraa un micro-cas que lo hasitivo ADC. Lande se aplica

rdo. erdo. echo. cho.

LDR1

R2

k

R1

k

LDR2

Didáctico de Eva

or de luz.

nto del sensor

a siguiente:

software.

ada por los scontrolador Pacen versátil ya figura 5 mua la siguiente

Salida

asión de Obstácu

r de luz.

.

sensores, proPIC18F4550 dy de uso genuestra el diagnomenclatura

ulos y Buscador d

ocesarla y dade Microchipnérico, tales grama de cona.

de Luz

5

ar una . Este como: nexión

La MecaAplicacio

4

controlactuadcircuitodos puentrada

4

motorrotro. Evelociddonde separa


4.6 Controla

Este sistema l, así como

dores, en esto tipo puente uentes H conas de control

4.7 Actuador

Este sistemaeductores de

El sistema de dad y la direc

VL es la vación efectiva


Figura 5.

dor de moto

es el encarginterpretar late caso los mH, en este ca

n suministro compatibles

res.

a se encarge corriente dirgiro es el llamción de giro delocidad del entre los mo


Conexión de

ores.

gado de sumias órdenes dmotorreductoaso se utilizó de corriente con TTL de 5

Figura

ga de dar recta, conectmado !sistemde los motore

motor izquietores, R es e

SL

SI

SM

SD

PWM_D

PWM_I

DPI

DNI

ositivo Robótico D

entradas y sa

inistrar la potde encendidores de C.D.un circuito inde hasta 2A

5V (ver figura

a 6. Integrado

movimiento tados a dos r

ma de giro difees determinanerdo, VR esl radio de giro

PIC18F4550

VDD2

RB0

RB1

RB2

RA2

RB3

RA1

RB4

RB5

RB6

MCLR

VEE2

RD7

RD6

RB7

RD5

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RA0

RA3

RA4

RA5

RE0

RE1

RE2

VDD1

VEE1

OSC1

OSC2

RC0

RC1

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VUSB

RD0

RD1

RC7

RC6

RC5

RC4

RD3

RD2

Didáctico de Eva

alidas del PIC1

tencia a la seo, apagado,

El controladntegrado llamaA por puente 6).

L298.

al dispositiruedas posicerencial!, el cn la trayectoris la velocidado, y ICR es el

DPD

DND

asión de Obstácu

18F4550.

eñales de saldirección y v

dor de motorado L298, el

e y voltaje a

ivo robótico.cionados opuecual por mediia del disposid del motor l centro de ro

ulos y Buscador d

lida del sistemvelocidad paes es el concual trae inte

arriba de 46V

Consta deestamente unio del cambioitivo. (Ver figu

derecho, L tación instant

de Luz

6

ma de ra los nocido egrado V, con

e dos no del o de la ura 7), es la

táneo.

La MecaAplicacio

4

interprepor meencarg

4

then!, y

membrdisponpor últiproximmuestr


4.8 Diseño d

El sistema detarlas y tomedio de los

gado del proce

4.9. Diseño d

El sistema dy dos salidas

En el métodrecía, que vaen de una miimo el sensor

midad, la figurra la función d

Ta


del software

de control es ar una decisiactuadores sesamiento. P

del sistema d

ifuso seleccio(ver figura 8)

o de Lógica arían según laisma función r de luz con ora 9 muestrade membrecía

abla 1. Nomen

Se

L

M

C


Figura 7. Sis

control

el encargadión en base ase trasformarara ello se ut

difuso.

onado dispon).

Figura

Difusa Manas característde membrecíotra función m la función da para el sens

nclatura para l

ensor Proxim

L Lejos

M Medi

C Cerc

ositivo Robótico D

stema de giro

do de recibir a los resultadrá en un restiliza un algori

ne de cuatro

a 8. Sistema D

ndami, cada ticas de las mía, los sensormás. La tablade membrecíasor de luz.

a función de m

midad Se

s M

o I

a D

Didáctico de Eva

diferencial.

las señales dos, y así darsultado físicoitmo represen

entradas, un

Difuso

entrada y samismas. En eres de proxima 1 muestra laa de los sen

membrecía de

ensor Luz

Medio

Izquierda

Derecha

asión de Obstácu

de los sensr una salida qo. El softwarentativo de un

n sistema ba

alida disponeeste caso los

midad cuentanas característnsores infrarro

e los sensores

ulos y Buscador d

sores, procesque posteriorme de control sistema difus

sado en regl

e de funcions motores (san con otra funticas del sensojos y la figu

s.

de Luz

7

sarlas, mente es el

so.

as !if-

es de alidas) nción y sor de ura 10

La MecaAplicacio

L

los act

Pmedio el apén


La tabla 2 muuadores. Esto

T

Por otro lado,del operador ndice A.


Figura 2.9. F

Figura 2.

uestra las caro es:

abla 2. Nomen

NA

NB

A

PB

PA

Figura

, la base de c!And". Las co


Función de m

10. Función d

acterísticas d

nclatura para

Motores

A Negativ

B Negativ

Apag

B Positivo

A Positiv

a 11. Función d

conocimientoondiciones o

ositivo Robótico D

embrecía de l

e membrecía

de las salidas

la función de

s

vo Alto 0

vo Bajo 0

gado 0

o Bajo 0

vo Alto 0

de membrecía

está formadacombinacion

Didáctico de Eva

los sensores i

para el senso

y la figura 11

membrecía de

Hexadecima

MI MD

0X10 0X0

0X20 0X0

0X30 0X0

0X40 0X0

0X50 0X0

a para los mot

a por una series se pueden

asión de Obstácu

infrarrojos.

or de luz.

1 la función de

e los motores

l

D

01

02

03

04

05

tores.

e de condicion ver en la tab

ulos y Buscador d

e membrecía

s.

ones !If-Then"bla 3, mostrad

de Luz

8

a para

", por da en

La MecaAplicacio

4

sistemsiguien

PentradaPWM. que seentradacompocentroialgoritmautóno


4.10 Diseño

El algoritmo, a difuso, así nte muestra la

Primeramenteas y salidas.Luego, el pro

e repita. En elas leídas y

osición de sumide se obtienmo inicia nueomo de lazo c


del algoritm

es el códigocomo el ajus

a secuencia q

Fi

e el micro-c Posteriormeograma entra ciclo se leenajustadas, s

ma, la inferene la salida, pevamente a

cerrado. Final

F


o

del programste de las se

que sigue el p

igura 12. Diag

controlador dente debe coa en ciclo infin los sensoresse prosigue ncia de produ

pero es necespartir de la mente la figu

Figura 13. Con

ositivo Robótico D

ma, el cual se eñales de entprograma para

rama de flujo

debe configuonfigurar los nito en dondes y se ajustancon la borroucto y la dessario su ajustlectura de l

ra 13 muestra

nfiguración de

Didáctico de Eva

encarga detrada y de laa el micro-con

del programa

urar los perimódulos espe se incrusta

n a los valoresosificiación. Esborrosificacióte a PWM yas entradas,a el dispositiv

el robot móvil

asión de Obstácu

e encapsular as salidas. Elntrolador.

a.

iféricos y especiales, comará el algoritms deseados. TEl siguiente ón de centroy dirección a , convirtiéndovo robótico co

ulos y Buscador d

la metodolog diagrama de

stablecerlos mo es el ADCmo que se reqTeniendo todpaso es hacide. Por medcada motor.

olo en un sionstruido.

de Luz

9

gía del e flujo

como C y el quiere

das las cer la

dio del Así el stema


10

5. Conclusiones

En este artículo se ha usado la lógica borrosa para diseñar el control de un dispositivo evasor de obstáculos. Las conclusiones derivadas de este trabajo se resumen en los puntos siguientes:

1) El dispositivo funcionó adecuadamente, esto es, evade obstáculos y sigue la mayor intensidad de luz, por lo que es posible afirmar que la lógica borrosa es útil y práctica para el diseño y control de dispositivos móviles.

2) Fue posible una buena adecuación del algoritmo de lógica borrosa al lenguaje del micro-controlador, por lo que tuvo un buen rendimiento y velocidad de reacción.

3) La versatilidad del micro-controlador utilizado, facilita la implementación de este tipo de dispositivos, así como una fácil adecuación de los algoritmos no sólo de lógica borrosa sino también de otras ramas de la inteligencia artificial.

4) La adecuación de los circuitos diseñados a los estándares TTL de 5v y baja potencia, facilita el acoplamiento de diferentes subsistemas en el producto terminado, como en el caso de los sensores y la etapa de potencia.

5) El robot puede ser usado para la motivación y la enseñanza de la Mecatrónica y de la Inteligencia Artificial.

Referencias [1] Bishop, R. The Mechatronic Handbook. Crc Press Washington D.C. (2002) [2] Reyes L., Jiménez E., Olvera E., Vázquez I., Mendiola E., Rivera J., López F., Delfín J., Urbalejo

A. Aplicaciones del álgebra hipercompleja a la modelación y simulación de un robot paralelo planar de 3GDL tipo RRR. La Mecatrónica en México, Vol 1. No 1. Pag. 1-11. Asociación Mexicana de Mecatrónica. (2012).

[3] Madrid G., Jiménez E., Reyes L., E., Luna N. Diseño e implementación del sistema de control de un dispositivo móvil evasor de obstáculos usando lógica borrosa. 9º Congreso Nacional de Mecatrónica, Octubre 13 al 15, 2010. Puebla, Puebla. (2010).

[4] Sánchez C., Nelson E. Alanís A. Redes neuronales Conceptos fundamentales y aplicaciones a control automático, Editorial Prentice Hall. Edición Primera. Fecha publicación. Madrid, España. (2006)

[5] Madrid G., Luna N., Jiménez E., Núñez E., Orduña F. Desarrollo de un simulador para prototipo de vehículo evasor de obstáculos usando lógica borrosa. 10º Congreso Nacional de Mecatrónica, Noviembre 3 y 4, Puerto Vallarta, Jalisco. (2011).

[6] William Siler and James J. Buckley Fuzzy Expert System and Fuzzy Reasoning. WILEY-INTERSCIENCE (2005).

[7] Rocha J., Jiménez L., Núñez E., Luna N., Reyes L. Desarrollo de una metodología para el control de dispositivos móviles para propósitos didácticos usando lógica borrosa. Informe Interno de Investigación. RED ALFA-IIMM-ULSA Noroeste. ISBN en trámite. (2013).

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, páginas 11 � 20, Enero 2013 Disponible en línea en www.mecamex.net/revistas/LMEM ISSN en trámite © 2012, Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C.

11

Sistema de Telemando Multiplataforma para Robot Móvil

Vargas Cabrera Conrado, Ramos Arreguín Carlos Alberto, Moya Morales Juan Carlos y García López María del Carmen

Universidad Autónoma de Querétaro, Facultad de Informática

Cuerpo Académico de Cómputo Científico y Tecnológico

© 2012 Vargas Cabrera Conrado, et. Al. Este es un artículo de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica, el cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre que el trabajo original esté apropiadamente citado. La revista cuenta con el Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012-092010534100-102.

Resumen. El mando a distancia o Teleoperación en robots móviles inalámbricos presenta grandes inconvenientes al decidir el protocolo de comunicación con el cual serán controlados. Los principales problemas son el tiempo de respuesta, distancia de transmisión, costo, y la interferencia entre canales. La aparición de nuevas tecnologías y protocolos de comunicación, ayudan a elegir un eficaz y eficiente sistema de telecontrol. Algunos módulos más utilizados son: xBee, Bluetooth, radio control RF y Wi-Fi. El objetivo de este trabajo es desarrollar e implementar un sistema de telemando inalámbrico para controlar un robot móvil, utilizando el protocolo de comunicación OSC sobre Wi-Fi, así mismo, se interactúa con distintos dispositivos móviles y una FPGA. El sistema consta de la interfaz de control en el dispositivo móvil, el vehículo robótico, y el módulo de comunicación sobre Wi-Fi. Palabras clave: Telemando, OSC, Wi-Fi, FPGA, iOS, Android, iPhone, iPod, iPad, Robot Móvil.

1. Introducción.

En los últimos años, las comunicaciones inalámbricas se han convertido en líder de los

sistemas de envío y recepción de datos a distancia. La tecnología inalámbrica ofrece capacidades de movilidad a los usuarios, sustituyendo las limitantes de una conexión física por cable. Hoy en día, existen en el mercado innumerables dispositivos con conexiones inalámbricas basados en distintos protocolos de comunicación como lo son: Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, GSM, etc. Debido a lo anterior, es necesario realizar una adecuada elección del protocolo, dependiendo de las necesidades de operación del usuario. El IEEE define los protocolos de comunicación entre redes de ordenadores bajo el estándar 802. Asignando a la tecnología Wi-Fi (WLAN) el protocolo 802.11 el cual opera en el rango de frecuencia de 2.4 GHz a 5 GHz. El protocolo 802.15.4 define las comunicaciones ZigBee (PAN) con frecuencia de trabajo de 900 MHz a 2.4GHz. El estándar de Red de Área Personal Inalámbrica (WPAN) define las comunicaciones inalámbricas para Bluetooth bajo el protocolo 802.15, trabaja en el rango de frecuencias 2.4 GHz a 2.48 GHz [1].

El presente artículo describe el desarrollo de aplicaciones para enviar y recibir datos, a través

de los protocolos de comunicación inalámbrica Wi-Fi y ZigBee, y los servicios que ofrecen en distintos sistemas operativos, así como en hardware embebido y dispositivos móviles, implementado en el telemando de un robot móvil. Una de las ventajas al desarrollar un sistema de telemando, es que el

La Mecatrónica en México, Vol. 1, No. 1, Septiembre 2012 Sistema de Telemando Multiplataforma para Robot Móvil

12

usuario tiene la posibilidad de elegir entre diversos dispositivos para operar el sistema, así como el protocolo de comunicación para la transferencia de datos. Actualmente existen dispositivos móviles que con recursos de hardware y software permiten comunicarse utilizando distintos protocolos de comunicación, así mismo, poseen sensores (acelerómetros, giroscopios, sensor de proximidad) disponibles para el desarrollador, basados en diferentes tecnologías. La potencia de tener un sistema operativo en teléfonos celulares y tabletas, permite adecuar controles de mando basados en interfaces gráficas, control de movimiento por medio de acelerómetros, y procesar instrucciones de control en aplicaciones nativas del dispositivo móvil.

Los sistemas operativos iOS de Apple y Android de Google presentes en teléfonos inteligentes

y tabletas (Tablets), permiten la interacción del hardware presente en ellos, con sistemas embebidos y dispositivos programables como Arduino y FPGA, entre otros, por medio de comunicación Wi-Fi y Bluetooth.

En el sistema de telemando se describe las ventajas y desventajas que ofrecen los distintos

protocolos en comparación a la respuesta obtenida por los microcontroladores. El tiempo de respuesta, distancia de transmisión, costo, tasa de transferencia de datos y la interferencia entre canales, son los aspectos a evaluar para elegir un eficaz y eficiente sistema de telecontrol.

1.1 Antecedentes Wright, (2002) presenta las especificaciones del protocolo OSC (Open Sound Control), donde

describe el protocolo como mecanismo de transferencia de datos, desarrollado para la comunicación entre computadoras, sintetizadores de audio y dispositivos multimedia.

Schmeder, (2008) desarrolla el protocolo uOSC, en su trabajo, describe la implementación del

protocolo OSC, para un microprocesador embebido, comunicado mediante cable USB bajo el protocolo serial.

Curiel Razo, (2010) implementa una red de sensores inalámbricos de tipo Ad-hoc, utiliza el

protocolo de comunicación ZigBee para la transferencia de datos. En su trabajo describe como logra implementar el monitoreo en tiempo real de la temperatura interior y exterior de un edificio.

Pérez Arreguín, (2011) desarrolla un robot móvil de tracción diferencial, donde implementa el

protocolo ZigBee para comunicarse inalámbricamente al robot. Diseña una interfaz gráfica desarrollada en Visual Basic, lo que permite al usuario manipular el robot, por medio de los cursores del teclado de la computadora.

2. Metodología.

2.1 Protocolo OSC. Open Sound Control (OSC) es un protocolo de comunicación entre computadoras,

sintetizadores de sonido y dispositivos multimedia (Wright, 2002). Hoy en día el protocolo OSC se ha desarrollado como librerías, para muchos lenguajes de programación. OSC es un protocolo de alto nivel, designado en un modelo cliente/servidor. Los datos transferidos se agrupan en una unidad llamada paquete. La unidad básica de datos OSC se llama mensaje y tiene la siguiente estructura:

address pattern (dirección patrón). Es una cadena OSC que comienza con el carácter !/". Type tag string (tipo de cadena). Es una cadena OSC que comienza con el carácter !," seguido de una secuencia de caracteres que corresponden al argumento del mensaje OSC. Los tipos de cadena más utilizados son: !i" que representa a un entero de 32 bit, !f" que representa a un valor flotante de 32 bits, y !s" que representa a una cadena de texto (Wright, 2002).


13

2.2 iOS - XCode. iOS es el sistema operativo para dispositivos móviles de Apple. La arquitectura de este sistema

operativo es similar a la de Mac OSX. iOS funciona como un intermediario entre el hardware presente en el dispositivo móvil y las aplicaciones que se observan en pantalla. La implementación de la tecnología iOS se distingue por niveles, donde el nivel más bajo contiene los servicios fundamentales para la ejecución de las aplicaciones. En el nivel más alto se implementan los servicios que interactúan con el usuario. Estos niveles consisten en un grupo de frameworks, los cuales proveen los objetos y clases necesarios para la construcción de aplicaciones nativas del sistema operativo.

2.3 Android SDK y Android Processing. Android es el sistema operativo para dispositivos móviles de la compañía Google, está basado

en el kernel de Linux. Para la creación de aplicaciones Android se utiliza el SDK, que se ejecuta bajo la herramienta

de desarrollo Eclipse, así como en la plataforma Processing. Processing es un entorno de desarrollo y al mismo tiempo es el nombre del lenguaje de programación, y está desarrollado bajo java, con lo cual es compatible para la creación de aplicaciones Android (© Google, 2012).

3. Desarrollo El sistema consta de dos unidades principales, la interfaz de control contenida en el dispositivo

móvil y la unidad del vehículo robótico, conectados por los protocolos de comunicación WiFi y zigBee. Funciona bajo el modelo cliente-servidor, donde las interfaces de control toman el papel de cliente, ya que son las que envían los datos a través de la red, y la unidad del vehículo robótico se desarrolla como servidor para procesar los datos adquiridos. Para el óptimo manejo y control del robot móvil se diseñaron diferentes interfaces, uno para cada dispositivo móvil, construido en una aplicación nativa de su sistema operativo. Teniendo así, tres distintas aplicaciones divididas de la siguiente manera: aplicación exclusiva para iPod/iPhone, aplicación para iPad y aplicación para Android.

A continuación se describe el proceso del desarrollo de cada aplicación, como también el

diagrama de comunicación entre el dispositivo móvil y el robot. 3.1 Desarrollo de la aplicación para iPod. La aplicación !OSC Control Car iPod" se desarrolla para poder ser utilizado en los siguientes

dispositivos: iPod Touch 3G, iPod Touch 4G, iPhone 3GS, iPhone 4, iPhone 4S con sistema operativo iOS 5.0 o posterior. El procedimiento para desarrollar esta aplicación, se describe de la siguiente manera:

1. El primer paso en la construcción de la aplicación, consta en crear un proyecto nuevo basado

en la plantilla !Single View Application", ya que proporciona las clases y frameworks indispensables para ejecutar la aplicación en el dispositivo, así mismo, es la base para construir los objetos y clases posteriores que se requerirán dentro de la aplicación.

2. Posteriormente se importan los frameworks VVOSC2 y Accelerometer.

3. A continuación se obtiene la dirección IP y el número de puerto UDP al cual se transferirán los datos.

4. Se crea un objeto OSC. En este paso se manda a llamar al manejador del protocolo OSC, el cual carga en el objeto creado la dirección IP y el número de puerto UDP. Así mismo, se crea un objeto acelerómetro, al cual se le asigna la propiedad de leer el valor del sensor en un intervalo de 0.1 segundos.

La MecaSistema

5. St

A

d

6. S

7. Sp

8. L

3 L

disposdesarromás ladesarro

S

desarroSe obtdonde aplicacobjeto proced

atrónica en Méxicde Telemando M

Se obtienen tipo OSC conOSCMessageAddress: /accValues: float

float afloat a

donde accela

Se inicializa l

Se envía el mproceso de e

El último paso

La figura 1, m

3.2 Desarrol

La aplicaciónitivos: iPad, iollar la aplicaa implementaollo para la ap

Siguiendo la ollo de la apltiene la direccse asigna la

ción. Si no exwebpage, po

dimiento desc

co, Vol. 1, No. 1,Multiplataforma p

los datos pron la siguiente e: accxyz celerometer acceleration.xacceleration.yaccelerarion.z

aration corres

a conexión W

mensaje OSCnvío de datos

o es cerrar la

muestra el dia

Figura 1. D

llo de la aplic

n !OSC ContrPad2, iPad3

ación del dispación de reciplicación !OS

metodología icación del dción URL para dirección Uxiste recepcióor el contrariocrito, hasta co

Septiembre 201para Robot Móvil

ocedentes de estructura:

x y z ponde a los v

Wi-Fi mediante

C que contiens, renovando

conexión Wi

grama del pro

Diagrama de la

cación para i

rol Car iPad" con sistema

positivo iPad,bir video por

SC Control Ca

de la figura ispositivo iPara la recepció

URL, este objn de video, so, si la recepncluir la meto

12 l

los aceleróm

valores de los

e el manejado

ne el valor delos valores o

-Fi cuando ya

oceso de des

a aplicación !O

iPad.

se desarrollaoperativo iO

, se utiliza lar streaming.

ar iPad".

1, se utilizanad. Posteriormón de video. jeto cargará

se intenta cargpción de videoodología.

metros. En es

s acelerómetr

or del protoco

e los acelerómbtenidos por

a no es reque

sarrollo de la

OSC Control C

a para poderOS 5.0 o posta metodología

A continuac

n los primerosmente se impA continuacióuna página w

rgar nuevameo es exitosa,

ste paso se cr

ros en los ejes

olo OSC.

metros. En eslos aceleróm

erida.

aplicación.

Car iPod".

r ser utilizadoterior. En el pa que se detión se descr

s 4 pasos paplementan losón se crea uweb dentro d

ente la direcc, se continua

rea un mensa

s x,y,z.

ste paso se cmetros.

o en los siguprocedimientoalla en la figribe el proce

ra el comienzs siguientes pn objeto webde una vista ión URL dent con el paso

14

aje de

cicla el

ientes o para ura 2, so de

zo del pasos. bpage,

en la tro del 5 del

La MecaSistema

Figur

3 L

tabletaaplicac

2

3

4

5

6


ra 2. Diagrama

3.3 Desarrol

La aplicaciónas con sistemción se descri

1. Primeramerecursos nimportar la

2. Se crea umismo se

3. A continualos datos.

4. Posteriormobtenidos estructuraOSCMessAddress: /Values: flo

floflo

donde acc

5. Se inicializ

6. Se envía compruebcontrario s


a del procedim

llo de la aplic

n !OSC Contrma operativoibe a continua

ente se genenecesarios pas librerías O

un objeto OScrea un objet

ación se obtie

mente se madel sensor

a: sage: accxyz /accelerometeoat acceleratiooat acceleratiooat accelerariocelaration.x.y.

za la conexió

el mensaje ba si existe cose finaliza el p


miento de desaope

cación para A

rol Car" se deo Android 2.ación.

era un nuevopara poder exSCP53 y la c

SCP5, al cuato aceleróme

ene la direcci

nda a llamaracelerómetro

er on.x on.y on.z .z correspond

n Wi-Fi media

OSC que coonexión por Wproceso.

12 l

arrollo para laerativo Androi

Android.

esarrolla para2 o posterio

o proyecto Anxportar la ap

clase accelero

l se le pasartro para obte

ión IP y el nú

r el método Do. Se crea u

den a los valo

ante el objeto

ontiene el vaWi-Fi, de ser

a aplicación !Oid.

a poder ser utor. El proced

ndroid dentroplicación al dometerManaje

rán los parámner los datos

úmero de pue

Draw. En estun mensaje

ores de los ac

o OSCP5.

lor de los acpositivo se d

OSC Control C

tilizado en tedimiento par

o del SDK, edispositivo móer.java

metros del p del sensor.

erto UDP, al c

te paso se rede tipo OSC

celerómetros e

celerómetros.devuelve al m

Car" en el sist

léfonos celulaa desarrollar

l cual contienóvil. Se proc

protocolo OSC

cual se transf

enuevan los C con la sig

en los ejes x,

. En este pamétodo Draw,

15

tema

ares y r esta

ne los ede a

C. Así

ferirán

datos uiente

y,z.

aso se , de lo

La MecaSistema

3

progradistintodesarrodescrib

A

métodoenvió protoco

1.

ldl

2. Sme

3. PO

4. Sac

5. m


3.4 Program

El programamación Proce

os sistemas oollar el prograbe el diagram

A continuacióo de obtencióde datos a tolo de comun

El primer pasla aplicación datos con elelos métodos n

Se crea un omódulo xBeeescuchar men

PosteriormenOSCMessage

Se manda aanterioridad. correspondie

El último pasmétodo draw


ma servidor e

servidor quessing. Una doperativos coama en Proce

ma del proceso

Fig

ón se descrión de datos ptravés del pu

nicación zigBe

so es crear un(Serial, OSC

ementos extenecesarios pa

objeto Serial. e. Así mismonsajes entran

nte se mandae, procedente

a llamar al mA continuac

nte al módulo

so consiste e, de lo contra


n processing

ue se descride las ventajaomo Linux, Messing, con loo de desarroll

gura 3. Diagra

ben los pasoprocedentes duerto serial dee.

n nuevo sketcCP54). La librnos de la coara el manejo

En este paso, se crea unntes por el nú

a a llamar aes del disposi

método Drawción se proceo Xbee.

n identificar srio se finaliza

12 l

g para recibi

ibe a continas de este SDMac OS, Wino cual se obtilo para la cre

ma de la aplic

os para desadel dispositivode la comput

ch e importar brería processomputadora. Po del protocolo

so se identificn objeto OSCmero de puer

al método Otivo móvil.

w. En este paesan los dat

si existen daa la conexión

ir datos OSC

uación y seDK es su versa

dows y Andriene un sistemación del pro

cación servido

arrollar el proo móvil. Así mtadora hacia

las librerías sing.serial pePor otra parteo OSC sobre

ca el puerto CP5, el cual rto UDP a est

SCEvent, do

aso se renutos y se env

atos sin enviaal puerto seri

C.

e desarrolla atilidad de seroid. Por tal ma multiplata

ograma servid

or.

ograma servmismo, se de

el robot mó

necesarias paermite la lecte la librería O

Wi-Fi.

serial COM se le asign

tablecer.

onde se recib

uevan los davían a través

ar, de ser posie.

en el entorner implementamotivo, se d

aforma. La figdor.

idor. Se detaetalla el proceóvil, por med

ara la ejecuctura y escritu

OSCP5, implem

correspondiea la propied

ben datos d

tos obtenidos del puerto

sitivo se reto

16

no de ado en decidió gura 3,

alla el eso de dio del

ión de ura de menta

ente al ad de

e tipo

os con serial

orna al

La MecaSistema

3

ampliasisteminalám(Compmás imcarro a

L

del recLa señcuandoseñaleseñal Dejecutatelema

diferencomun

L

con un

en la vEn unatravés


3.5 Robot m

El Lenguaje mente emplea digital embbrica. Los dis

plex Programmmportantes. Lanteriormente

Figu

Las señales dceptor inalámbñal P es la sao el carro se s MOT1 y MODR puede seando. La entidando, los cuál

RS232rx.vh pwm.vhd motor_ctrl.v

4. Pro

El proceso dncias dependnicar a cada u

La figura 5, mn sistema de r

El proceso sevista principal a segunda videl protocolo


móvil en FPGA

de Descripceado en numbebido para spositivos promable Logic Da figura 4 mu

e mencionado

ra 4. Diagrama

de entrada sobrico X-Bee,

alida de un PWdirija hacia a

OT2 controlaner empleada dad principal es son:

hd

vhd

oceso de c

de comunicaciendo el dispno de los sist

muestra el deretroalimentac

e inicia cuandse ingresa la

ista de la apo OSC sobre l


A

ción de Hardmerosos siste

el control dogramados coDevice) y FPuestra el diago.

a General y m

on un RST maeste recibe loWM (Pulse Wadelante, hacn el sentido dpara ver el nconsta de 3

omunicaci

ción entre elpositivo móvitemas.

etalle de comción por video

do el usuario a dirección IPlicación, se tla tecnología

12 l

dware de muemas digitalede un carro on este lenguGA (Field Prorama de bloq

módulos princi

aestro y una os datos paraWidth Modulecia atrás, vuede giro y encenúmero recibmódulos prin

ión dispos

dispositivo ml a elegir. A

unicación ento streaming.

ejecuta la apP y el número transmiten loWi-Fi.

uy alta Veloces, por lo cumóvil tele-opuaje son: GAogrammable ques principa

ipales para el

señal de reloja el funcioname) para controlta a la izquie

endido/apagaido por RX yncipales para

sitivo móvi

móvil y el roA continuación

tre el disposit

plicación !OSC de puerto UDs datos obte

cidad (VHDLual, es posibperado a disAL (Generic A

Gate Array), l del sistema

control del ca

oj principal, la miento de los olar la velociderda o vueltado de los mo

y saber que i llevar a cabo

il ! robot m

obot, se presn se describ

tivo móvil iPa

C Control CaDP de la com

enidos por los

L), es un lenle implement

stancia de mArray Logic),

por mencionpara el contr

arro.

señal RX promotores del

dad de los moa a la derechaotores. Por últinstrucción seo dicho sistem

móvil.

senta con rele el proceso

ad y el robot

r iPad" en sumputadora sers acelerómet

17

nguaje tar un

manera CPLD

nar los rol del

oviene carro. otores a. Las timo la e está ma de

lativas o para

móvil,

u iPad, rvidor. tros, a

La MecaSistema

Figura

L

este pmismomódulopara reel cuatravés posibili

P

se instlas otrenviar modelase dibuconjunprocesFPGA datos r


a 5. Diagrama

La computadrograma, se , se crean no Xbee. Estaesponder de al ejecuta la adel protocolo

idad de toma

Para probar etaló la aplicacras dos apliclos datos obt

ado y simulacuja una caja qto de prueba

samiento de larefleja result

recibidos.


del modelo d

dora ejecuta eimplementanuevos datos información

acuerdo a losaplicación IPWo Wi-Fi al iPar nuevas dec

el sistema de ción !OSC Coaciones. Comtenidos por elción de movimque se mueves, se basa enas instrucciontados deseab


e comunicacivid

el programa n instruccione

y estos sonse recibe en

s datos recibidWebCam, quad, cerrando isiones en el

5. Prueb

telemando seontrol Car iPomprobando al sensor del amiento de un e en base a ln analizar el tnes de controbles, dando m

12 l

ón iPad ! Robdeo streaming

servidor, el ces de contro enviados a

n la tarjeta Ardos. El robot ue es la encaasí el sistemcontrol del ro

bas y Resu

e dividió en dod" en tres diasí, el funcionacelerómetro.dispositivo ma informacióntiempo de resol para manipmenores tiem

bot móvil con g.

cual procesa l para la matravés del p

rduino o FPGmóvil esta eqargada de tr

ma de retroaliobot.

ultados

dos partes. Enspositivos difnamiento ade. En el mismo

móvil, como sen obtenida despuesta que oular el robot

mpos de retra

retroalimenta

los datos obanipulación dpuerto serial GA, que contiquipado con uransmitir vidementación, d

n el primer coferentes, se hecuado de lao grupo de pre puede obsee los acelerómofrece la FPGmóvil. Se obs

aso en el pro

ación por med

btenidos, denel robot móvcorrespondieenen un progun teléfono c

eo por streamdando al usua

onjunto de pruhizo lo mismoas aplicacionruebas se reaervar en la figmetros. El segGA, con respeservó que la t

ocesamiento d

18

dio de

tro de vil, así ente al grama elular,

ming a ario la

uebas, o para nes, al alizó el gura 6, gundo ecto al tarjeta de los

La MecaSistema

A

de compruebabanda retardoentre etransfeLa comparede

el uso (Open inalámdiversocomo eMac Oadecuecomun

S

un moFPGA.telemacual im

C

comunrespue


Así mismo, smunicación uas se realizaro

disminuye cos en la comuel dispositivo

erencia máximmunicación ees, y 100 metr

En este artícude distintas tSound Con

brica. Se deos dispositivoen programas

OS, Android, e a las neces

nicación sobre

Se desarrollódelo maestro Como se ob

ando descrito,mplica un reta

Como trabajnicación inaláesta entre disp


Figura 6. Si

se realizaron utilizados, y eon con la infrcon el aumeunicación entro móvil y la ma de datos, entre móduloros en lugare

6.

ulo, se abordtecnologías y

ntrol), para etalla la imple

os móviles (iPs, que se pueiOS. Por tal

sidades del ue Wi-Fi, entre

ó un robot móo/esclavo. Pabserva en las, pero se mardo en el tiem

o a futuro sámbrico Bluepositivos, des


imulación de v

pruebas de lael tiempo deraestructura dnto de compre dispositivocomputadoray una distan

os xBee ofres abiertos.

Conclusio

ó un sistema y protocolos del manejo yementación dPod, iPhone, eden ejecutarmotivo se c

usuario. Se imdispositivos

óvil de traccióara la implems pruebas rentiene un pu

mpo de respue

se implementooth, mejora

saparecer el p

12 l

valores obten

a distancia erespuesta a

de comunicacputadoras cos. Posteriorm

a, lo que ofrecia efectiva dce un rango

ones y trab

de telemandde comunicacy transference estos protoiPad, teléfon

r en diversosconsiguió desmplementó el móviles, com

ón diferencial,mentación de

alizadas, los ente entre el esta.

tará un sisteando la tasapuente existe

idos por acele

efectiva que oal enviar y reción Wi-Fi queonectadas a mente se reali

ece un anchde 25 metroso de operació

bajo a futur

do para controción como lo

cia de datos ocolos, en enos celularess sistemas opsarrollar un s uso del prot

mputadoras y s

, el cual ejercla parte de cresultados s

dispositivo m

ema de telea de transfernte entre el d

erómetros.

ofrece el conjecibir datos. e ofrece la facla red, dandzó una conex

ho de banda s por medio dón de 30 m

ro

olar un robot son Wi-Fi, Z por medio l desarrollo d

s con SO Andperativos comsistema multitocolo OSC, sistemas emb

ce el rol de scontrol del roson eficientesmóvil, y el rob

emando sobrrencia de dadispositivo mó

unto de protoDebido a qu

cultad, el ancdo como resxión de tipo A

de 100 Mbdel protocolo

metros atrave

móvil. Se preZigBee, Xbee,

de comunicde aplicaciondroid, tablet!s

mo Windows, plataforma qcomo protocobebidos.

istema esclavobot, se utilizs en el sistembot a manipu

re el protocoatos, el tiempóvil y el robot.

19

ocolos ue las cho de ultado

Ad-hoc ps de Wi-Fi. sando

esenta , OSC cación

nes de s), así Linux, ue se olo de

vo, de zó una ma de ular, lo

olo de po de .


20

La principal aportación de este trabajo es el desarrollo de una aplicación para dispositivos móviles, la cual utiliza un modelo de comunicación inalámbrica para comunicarse al robot. Se utilizó el protocolo de comunicaciones OSC (Open Sound Control) sobre el protocolo de red Wi-Fi, el cual permite una tasa de transferencia de datos alta y una mayor distancia entre los dispositivos móviles y el robot. Se presentan tres alternativas diferentes: un modelo de comunicación utilizando un iPod/iPhone y el robot móvil, una segunda alternativa utilizando un iPad que es retroalimentado mediante video por streaming, y por ultimo un sistema de comunicación utilizando un teléfono celular con sistema operativo Android.

7. Referencias

[1] H. Labiod, H. Afifi y C. De Santis; Wi-FiTM, BluetoothTM, ZigBeeTM and WimaxTM; Springer; ISBN: 978-1-4020-5397-9; Dordrecht, The Netherlands 2007.

[2] R. Troncoso; Electronicá Digital y Lógica Programable; Universidad de Guanajuato, 2a Ed.; ISBN:968-8644498; Guanajuato Mexico 2007.

[3] M. Aceves, R. Arreguin; Fundamentos de Sistemas Embebidos, Mediante Lenguajes Descriptivos de Hardware; Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.; ISBN 978-607-95347-4-5; Santiago de Querétaro, Querétaro 2012.

[4] Android Developer; Sensor Type; http://developer.android.com/reference/android/hardware/ Sensor.html#TYPE_ACCELEROMETER; última consulta 15/01/2012;


21

Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador

Gutiérrez Arias José Eligio Moisés, Rugerio Escalona Rosa María y Morín Castillo María Montserrat

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Facultad de Ciencias de la Electrónica.

[email protected], [email protected], [email protected]

© 2012 Gutiérrez Arias José Eligio M, et. Al. Este es un artículo de acceso abierto, distribuido bajo los de la Asociación Mexicana de Mecatrónica, el cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre que el trabajo original esté apropiadamente citado. La revista cuenta con el Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012-092010534100-102.

Resumen.

En este trabajo presentamos la planificación de la trayectoria de un robot limpiador como una combinación de trayectorias deseadas, el robot limpiador está provisto de dos ruedas activas y una pasiva. La deducción de las ecuaciones de movimiento no lineales son importantes pues en ellas están considerados los voltajes de los motores de las ruedas activas como elementos de control. La determinación de las trayectorias deseadas y de las ecuaciones lineales son fundamentales para la planificación de la ruta del robot limpiador. Alcanzado un punto predeterminado, mediante la obtención de imágenes con una cámara CMOS y con algoritmos de reconocimiento de color y área, el robot móvil será capaz de identificar qué tipo de objeto debe recolectar. Se describen los sensores que se implementaran para la selección y recolección de la basura. Palabras clave: Robot móvil, control diferencial, trayectorias deseadas, sistema lineal, sensores de ultrasonido e imagen.

1. Introducción.

Con el transcurso de los años, el hombre se ha fascinado con máquinas que imiten las

funciones y movimientos de los seres humanos. La robótica, es una de las tecnologías más importantes en la nueva era de la sociedad, en la búsqueda de nuevas tendencias tecnológicas, el estudio de la robótica móvil juega un papel muy importante en diversas áreas y aplicaciones, desempeñando tareas de supervisión, exploración, distribución y transporte, entre otros, facilitando la automatización a gran escala, para esto es necesario incrementar la autonomía de estos dispositivos dotándolos con un sistema de navegación eficiente, dentro del que son relevantes tareas como lo son la percepción, planificación y control.

El estudio de la robótica móvil puede clasificar a los robots en vehículos aéreos, terrestres y

acuáticos. A su vez los robots terrestres se pueden clasificar de acuerdo al tipo de locomoción que utilicen para desplazarse dentro de su espacio de trabajo en tres categorías: robots de ruedas, robots de patas y robots de orugas. A pesar del amplio estudio de la movilidad de robots por patas y de orugas, el desarrollo más significativo se ha dado en la locomoción por ruedas. [1]

La MecaModelad

controlentre ecompu

Lse difese util(differeactivasa la pla

2

marco no inerpunto posició

siguien

Crotaciocalcula

atrónica en Méxicdo y Planificación

Actualmentel con botonesel humano y

utador y recon

Los robots merencian por loizará a lo la

ential steerings pero situadoataforma.

2.1 Deducció

El diagrama fde referencia

rcial el cual eP que

ón de éste de

De acuerdontes relacione

Consideramoonales, y quear las velocida

co, Vol. 2, No. 1,n de las Trayecto

e la forma ms, perillas, etcy el robot, enocimiento de

2. Ecua

móviles se pueos diversos s

argo de este g), este sistemos sobre el m

ón de las ecu

físico del roboa fijo oestá fijado al e se encuententro del marc

F

o al sistema des:

os al robot e las velocidaades de las ru

Enero 2013 orias de un Robo

más común dc. Sin embargestá llevandoe imágenes. [2

ciones de

eden construsistemas de tr

trabajo, es ma utiliza mo

mismo eje, ade

uaciones de

ot móvil se mo inercial, adrobot y se entra frente deco de referen

igura 1. Diag

de referencia

móvil como ades de las ruedas relativa

ot Limpiador

de controlar ago, la necesid

o al desarroll2]

movimien

uir basándoseracción que uuna plataform

otores indepeemás utiliza u

movimiento

muestra en la emás se apr

ncuentra en el robot móvil cia fijo.

rama físico de

a no inercial p

un cuerpo ruedas activaas a la velocid

a los robotsdad de tener lo de alterna

to del robo

e en diferenteutilizan. La coma con un sendientes paruna rueda libr

o

figura 1, el rorecia un marcel eje formado será el pun

el robot móvil

propio del ro

rígido con as deben tendad .

s es por meduna comuni

ativas que in

ot móvil

es diseños deonfiguración dsistema de tra cada una re para propo

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.

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demos obten

s traslacionaón , se pu

22

es de directa ón por

s, que vil que rencial uedas bilidad

de un o

vas. El nar la

ner las

(1)

ales y ueden

(2)

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador

23

(3)

Tomando la consideración que (velocidad de translación del robot móvil) sólo tiene componentes en podemos obtener que y que ; por lo tanto:

(4) (5)

Para obtener v, despejamos de (5) y lo sustituimos en (4)

(6)

y para obtener despejamos de (5) y lo sustituimos en (4)

(7)

Con las ecuaciones (6) y (7) se obtienen la velocidad angular y la velocidad del motor en función de las velocidades de los dos motores. Si se considera que la derivada del ángulo de orientación del robot, es la velocidad angular del mismo:

(8) La posición del centro del arreglo de sensores desde el marco de referencia móvil es:

(9) (10)

Incluyendo las componentes de la velocidad del robot (es decir, del origen del marco de referencia móvil respecto al marco de referencia fijo) tenemos

(11) (12)

Las ecuaciones (8), (11) y (12) describen la velocidad de rotación y de translación (cinemática) respectivamente, del centro de sensores del robot móvil dentro del marco de referencia inercial

. Para obtener las dos ecuaciones dinámicas restantes del robot móvil, se utilizarán las ecuaciones de movimiento que plantea el Principio de DÁlembert [4] para el equilibrio dinámico de un cuerpo rígido; dichas ecuaciones son:

(13)

(14)

en donde la ecuación (13) relaciona la resultante de las fuerzas externas y la aceleración del centro de masa del sistema y la ecuación (14) relaciona el momento resultante de las fuerzas externas y la razón de cambio de la cantidad de movimiento angular o momento angular del sistema. Expresando la ecuación (13) para el centro de masa del robot móvil, tenemos que


24

(15)

La derivada , representa la aceleración del centro de la masa:

(16)

Ahora bien; sustituyendo la expresión (16) de aceleración del centro de masa en la ecuación de movimiento (15), se puede obtener una expresión de equilibrio dinámico para cada eje coordenado del sistema de referencia fijado en el robot como y ; es decir

(17) (18)

de las cuales, la ecuación (18) no será considerada ya que sólo interesa considerar las fuerzas de empuje de las llantas, y no las fuerzas perpendiculares al plano de rotación de las llantas.

También es necesario conocer la derivada del momento angular ya que

conocemos los vectores y , entonces:

(19)

Es necesario además, asociar las fuerzas a las coordenadas que determinan el giro de cada uno de los motores del robot móvil; para esto, se sabe que el torque o momento de un motor es:

(20)

donde son el torque y la fuerza respectivamente, aplicadas por el motor; y es el radio de la rueda acoplada al motor. El modelo más simple conocido para un motor de DC, es el que relaciona el torque del motor con la velocidad angular del mismo; dicho modelo se describe a continuación:

(21) donde es el torque del motor (Nm); es el voltaje aplicado a las terminales del motor (V); es la

velocidad angular (rad/s); , donde R es la resistencia eléctrica del devanado del motor , es

la constante de torque (Nm/A); , donde es la constante de la fuerza contra-electromotriz del

motor (Vs/rad). Despejando la fuerza F de la ecuación (20) y sustituyendo en la ecuación resultante de esto, el valor del torque de la ecuación (21), se obtiene una expresión para calcular la fuerza del motor:

(22)

son las velocidades angulares de las ruedas acopladas a los motores derecha e izquierda,

respectivamente; se pueden obtener una expresión para cada una de éstas, utilizando las ecuaciones (4) y (5):


25

(23)

(24)

y así, se puede obtener con (22) y las ecuaciones anteriores (23) y (24), una expresión de fuerza para las ruedas derecha e izquierda, respectivamente:

(25)

(26)

Sustituyendo las expresiones (25) y (26) en las ecuaciones de movimiento (15), tenemos finalmente que:

(27)

(28)

Por lo tanto, las ecuaciones (8), (11), (12), (27) y (28) describen el movimiento o dinámica del robot móvil:

(29)

Con este sistema de ecuaciones se puede realizar un análisis de estabilidad correspondiente a un sistema en lazo abierto.

3. Ecuaciones lineales y trayectorias deseadas Con los posibles movimientos básicos que un robot móvil puede realizar en un plano como se observa en la figura 2, se pueden plantear algunas trayectorias deseadas para ser descritas por éste. Considerando que el robot presenta movimientos horizontales y verticales paralelos a los ejes

y tenemos en la tabla 1, las siguientes trayectorias rectas deseadas.

La MecaModelad

Pcasa destá sealguna

Slinealm


Fi

1. L2. L

3.

4.

Para obtenerel robot es paeccionado en as trayectorias

Tr5.C

(dire6.C(co

7.C(dire8. C(dire

Siendo (30) mente a vecind


igura 2. Traye

Tabla 1. T

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Línea Vertical

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T

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Cuadrante II ección reloj)

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Tabla 2. Trayec

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ot Limpiador

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vo 0

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0 0 0

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26

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La MecaModelad

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De igual fortes.

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un movimien

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ot Limpiador

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27

(30)

ciones

(31)

eadas

a recta ctorias ente a

minada ol para s para ar los


28

Tabla 3. Valor de los parámetros del robot móvil

Variable Valor Descripción h 0.25 Distancia del eje de las ruedas al

arreglo de sensores [m] m 3.00 Masa del robot móvil [kg] b 0.047 Distancia del centro de masa al eje de las ruedas [m]. r 0.05 Radio de las ruedas activas

0.00196 Fuerza contra-electromotriz del motor T 0.135 Distancia medida entre las dos ruedas [m] 0.005 Momento de inercia [Kg] 0.0041 Fricción Viscosa 0.5 Velocidad deseada [m/s] 0 Velocidad angular deseada [rad/s]

4.1 Diseño de control para la línea recta Se considera el sistema dinámico lineal en tiempo continuo descrito por: (32)

Éste modelo permite tomar en cuenta las variaciones paramétricas de un sistema dinámico. Aplicando la programación dinámica mediante la ecuación de Hamilton- Jacobi-Bellamn se tiene que este control es: (33) además P(t) 0 es la solución de la ecuación Diferencial Matricial de Riccati:

(34)

Si es reemplazada por ; la solución es llamada una solución estacionaria de la ecuación de Riccati (34) con condición La ecuación diferencial matricial de Riccati se convierte en una ecuación algebraica matricial, ya que el lado izquierdo es idéntico a cero. Por lo que el control óptimo para un sistema lineal invariante en el tiempo es : (35)

4.1.1 Simulación para una línea recta

El algoritmo fue implementado en el software MATLAB, se utiliza la instrucción care para obtener solución de estabilización de la ecuación algebraica de Riccati, y la instrucción ode45 para la solución de la ecuación de control en lazo cerrado mediante una integración numérica por el método Runge-Kutta de 5 orden.

Así entonces, el control óptimo para que el robot móvil realice la trayectoria recta deseada está dado por:


29

Figura 4. Trayectoria recta horizontal con sentido positivo.

4.2 Diseño de control para un semicírculo

Un sistema lineal con parámetros variantes, depende explícitamente de un vector de parámetros variante en el tiempo (t) que puede medirse en tiempo real, éste parámetro es descrito para todo t 0 por la ecuación: (36)

Un sistema lineal con parámetros variables puede interpretarse como una generalización de un sistema lineal invariante en el tiempo cuando la trayectoria paramétrica admisible es constante

. Una sola solución óptima para todos los sistemas lineales invariantes en el tiempo se realizará, haciendo la transformación de la ecuación algebraica de Riccati modificada en una LMI1 . La solución de la ecuación algebraica de Riccati, es semejante a la solución de la LMI asociada a ésta la cual se obtiene haciendo:

(37)

El método que se está planteando para la obtención de un control óptimo para el sistema lineal variante en el tiempo, correspondiente una trayectoria circular en el IV cuadrante en sentido contrario del reloj, la solución de estabilización se calcula ahora mediante la solución de una LMI para un sistema politópico.

1

Una LMI (Desigualdades Lineales Matriciales) define un problema convexo sobre la variable, el cual se puede resolver numéricamente con

la garantía de encontrar una solución, si existe alguna.

0 10 20-1

0

1

Tiempo (s)

[m]

0 10 20-0.5

0

0.5

Tiempo (s)

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0 10 20-1

0

1

Tiempo (s)

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0 10 20-1

0

1

Tiempo (s)

[m/s

]

0 10 20-5

0

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]

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La MecaModelad

LEn el eforma c

5 Lcontrol Dexistenflexibili


Figura

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5.1 Sensor d

Los sensoresl y guiado de

Después de ntes, se optó idad, el rango

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2

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a 5. Trayectori

5. Se

s permiten la as sensores deara su proces

de ultrasonid

s de deteccióvehículos.

realizar unpor elegir e

o de medida y

Figura 6. S

2 3 4 5

tiempo (se

2 3 4 5

tiempo (se

2 3 4 5

tiempo (se

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y reducir coste

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6 7 8

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6 7 8

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6 7 8

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ot Limpiador

el cuadrante I

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9 10

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9 10

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n el robot m

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0

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3 4 5

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3 4 5

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3 a 4m.

6 7 8 9

6 7 8 9

2 2.5 3

30

móvil. ión en

mas de

ónicos ntar la

10

10

3.5


31

El SRF05 (ver figura 6), es un sensor de distancias por ultrasonidos desarrollado por la firma DEVANTECH Ltda. Capaz de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de 1,7 a 431 cm. El sensor funciona por ultrasonidos y contiene toda la electrónica encargada de hacer la medición.

5.2 Sensores digitales de imágenes Una vez detectado el objeto a analizar con la ayuda de una cámara CMOS se llevara a cabo la captura de la imagen. La visión artificial consiste en la aplicación de técnicas de procesado de imagen y datos para extraer información de las imágenes. Una vez que la imagen se encuentre en condiciones de ser procesada, se tiene que hallar el objeto dentro de la imagen de forma independiente, lo cual se realiza a través de la segmentación. Cuando la imagen se encuentra segmentada, se procede a extraer las características para el reconocimiento, para que pueda clasificarse el objeto por color, tamaño o forma, mediante algoritmos de reconocimiento de color y de área. Las primeras pruebas a realizar para la identificación de color se harán con el algoritmo K-means Cluster con la ayuda de MATLAB, de la misma manera se ocupara como primera prueba para determinar el área del objeto detectado un código de cadena, después de la realizar las pruebas se pretende implementar los algoritmos en un microcontrolador PIC18F4550.

5.3 Actuadores En el campo robótica hay diferentes tipos de actuadores que pueden ser utilizados, de los cuales los más predominantes son los motores eléctricos y los actuadores neumáticos con válvulas. Desde el punto de vista de los robots móviles, el tipo de actuador más utilizado para éste tipo de aplicación es el motor eléctrico de corriente continua (DC). De los motores eléctricos más utilizados se puede mencionar al motor de DC estándar, el motor a pasos y los servos. [5] Para el movimiento de las ruedas activas se cuenta con dos motores modelo EMG30. Estos motores trabajan a un voltaje máximo de 12V, poseen una caja de engranes con un radio de reducción de 30:1 permitiendo un torque de 1,5Kg/cm y una velocidad sin carga de 170rpm, además cuenta con un encoder de cuadratura que ofrece 90 pulsos por revolución del eje final. Después de que el robot haya identificado cada objeto, se pretende que con la ayuda de un brazo robótico, el robot sea capaz de agarrar con una tenaza el objeto y colocarlo en el contenedor adecuado. El robot estará gobernado por un microcontrolador (PIC18f4550), el cual se encarga de gobernar motores y sensores.

6. Conclusiones Se ha realizado la deducción del modelo dinámico no lineal y mediante un análisis del mismo se han seleccionado los motores para las dos ruedas activas. Una descripción de las trayectorias deseadas se proporciona, posteriormente los sistemas lineales en las desviaciones se obtienen. Dada una tarea específica, la planificación de trayectorias deseadas se realizó con la finalidad de ejecutar dicha tarea. Actualmente se están realizando pruebas con el robot móvil. Paralelamente estamos analizando la implementación de los sensores y del brazo robótico que recogerá los objetos, cada parte que integra al robot limpiador será probado por separado para después implementar todo el sistema.


32

Referencias [1] Ramos E, Morales R, Silva R. �Modelado, simulación y construcción de un robot móvil de ruedas

tipo diferencial�, CIDETEC-IPN, Departamento de Posgrado, Área de Mecatrónica, J. Phys. Educ. Vol. 4, No. 3, Septiembre 2010, pág. 762.

[2] Castiblanco D, Barreto C. �Modelado Cinemático Aplicado al Sistema de Navegación de un Robot Móvil tipo Skid Steer�, Ingeniería Mecatrónica, Universidad de San Buenaventura, 2006.

[3] F. Beer, R. Johnston, W. Clausen, Mecánica Vectorial para Ingenieros: Dinámica, McGraw Hill, 8° Ed., 2007.

[4] Riley F, Leroy D. �Dinámica�, Editorial Reverté, S.A., 2005, pág. 254. [5] T. Bräunl, Embedded Robotics, Springer, 2° Ed., 2006.


33

Automatización del Proceso de Embutido Profundo/Semi-profundo

Álvarez Zapata L. A., Sandoval Pineda J. M. y Flores Herrera L. A.

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIME-UA-IPN. Av. de las Granjas No. 682 Col. Sta. Catarina Delegación Azcapotzalco-México D.F. Tel.: 5729-6000, Ext.: 64530.

[email protected]

© 2012 Álvarez Zapata L. A., et. Al. Este es un artículo de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica, el cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre que el trabajo original esté apropiadamente citado. La revista cuenta con el Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012-092010534100-102.

Resumen. Se diseña una máquina alimentadora de cospeles, la cual satisface la necesidad de automatizar el proceso de embutido a un bajo costo. La máquina se encarga de seleccionar y dosificar la materia prima �cospeles� en una prensa o troqueladora que puede ser de diversas capacidades. La máquina alimentadora se elabora partiendo de la necesidad por obtener un incremento en la producción de sellos de monoblock para automóviles, mejorar la calidad de los productos finales y proteger la integridad física de los operadores de troqueladora. Con el apoyo de software de diseño y simulación, el costo final de la máquina alimentadora automática de cospeles se reduce de manera significativa, muy por debajo de los costos actuales de máquinas que desarrollan una función similar, lo cual la hace muy atractiva para el sector de las Pymes que se encargan de la producción de piezas embutidas y no cuentan con altos recursos de capital para obtener equipo de alto costo monetario que les permita hacer más eficientes sus procesos de producción. Palabras clave: automatización, vibrador electromagnético, selección de piezas, aumento de producción, sistema de control, seguridad.

1. Introducción.

La industria manufacturera metal-mecánica en general, se encuentra en constante evolución e innovación debido a la gran demanda actual de productos y a su continuo crecimiento. Los procesos de manufactura sufren radicales cambios en cuanto a su manera de fabricar productos. Hace algunas décadas la intervención de la mano del hombre para la fabricación de piezas era fundamental, actualmente sólo se requiere de un par de operadores y varias máquinas para elaborar un sinfín de productos [1]. Estos procesos que cuentan con un alto grado de automatización, permiten obtener productos de mejor calidad a menor costo y ofrecen mayor seguridad a los operadores.

De los procesos de manufactura, el proceso de embutido o embutido profundo/semiprofundo,

es uno de los que mayores riesgos presentan para el operador, debido a que se necesita operar la materia prima de forma manual y colocarla en una máquina llamada prensa o troqueladora.

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Automatización del Proceso de Embutido Profundo/Semi-profundo

34

2. Antecedentes generales y mercado actual.

Actualmente existe maquinaria con el herramental adecuado para llevar a cabo el proceso de troquelado, mediante la integración de elementos como dados progresivos, actuadores neumáticos, el uso de P.L.C. y sensores eléctricos entre otros, el proceso se lleva a cabo de forma autónoma y garantizando la calidad del producto, la desventaja es el costo, que es en promedio de $65 mil dólares, lo cual hace que este fuera del alcance de las Pymes dedicadas al proceso de troquelado. De esta forma surge la inminente necesidad de automatizar este proceso, el cual debe ser costeable para la Pymes, eficiente y seguro.

Otro factor importante en este proceso de manufactura, es que durante una jornada laboral de 8

horas, un operador de troqueladora puede llegar a colocar hasta 10,000 piezas, de las cuales un porcentaje aproximado del 17% son colocadas de forma incorrecta en la matriz del troquel, esto debido en gran medida a que es una tarea inmensamente repetitiva. Estas piezas colocadas erróneamente tienden a causar degeneración en el herramental y un producto con calidad inferior.

3. Necesidades.

Automatizar el proceso de embutido profundo, enfocándose en el sector de las pequeñas y medianas empresas del área metal-mecánica.

4. Objetivo de diseño.

Se diseña una máquina que selecciona correctamente la materia prima y posiciona de forma automática los cortes de lámina de cualquier geometría, de espesor no mayor a calibre catorce. La máquina es utilizada para el proceso de embutido profundo/semiprofundo.

Para facilitar el diseño de la máquina alimentadora, el objetivo de diseño se ha desglosado en seis objetivos particulares, los cuales se enfocan específicamente en satisfacer cada necesidad requerida de forma individual, y al final obtener un diseño funcional. Los objetivos particulares son:

1. Lograr un aumento en la producción de piezas embutidas y reducir costos de operación. 2. Mejorar la calidad de los productos elaborados. 3. Disminuir accidentes relacionados con la operación del proceso de troquelado. 4. Obtener un control confiable de la producción llevada a cabo por cada máquina durante el

proceso. 5. Desarrollo de una interface máquina-ordenador, la cual posea un entorno gráfico amable, y

sea de fácil interpretación para el operador, el inspector de calidad y supervisores de producción.

6. Fácil funcionamiento y mantenimiento.

5. Diseño del Alimentador.

Partiendo de un estudio completo de los procesos de producción actuales y otros desarrollados con anterioridad, se elabora un diseño en 3D, del cual posteriormente se analizará y simulará usando software computacional y de esta manera obtener los resultados óptimos con el mínimo de errores, evitando gastos extras ocasionados por una reingeniería en la manufactura del producto final. El diseño del alimentador consta de las siguientes etapas:

La MecaAutomat

2345

5

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35

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protegeproporcestructucoloca 127 Voaliment


can los cospelesiguiente, los tico, al comenzson guiados p

En la Figura 4 peles. El recoramiento óptimvibrador podríaentando su cor

Para hacer el tdo por una bobtos; componeny sistema de amones más largaerva el diagram

En la Figura 6e la bobina, la bciona estabilidaural, con los cel tazón, dond

olts y 50/60Hzadas con una v


es que tienen rcospeles son

zar a vibrar el tapor medio de un

se observa el rrido de los coso dentro del taa no generar larriente y genera

traslado de lasbina que se insntes eléctricos mortiguación. C

as o más cortasma de las conex

Figura 5. Co

6 se ilustra el base de la bobad al vibrador.cuales se evitade son vertidos. Con todo lo velocidad que


rebaba de los colocados en

azón los cospen canal en form

diseño final despeles se realizazón se colocaa suficiente vibando un calent

Figura 4. Taz

s piezas dentrostala debajo decomo un variaCon el variados y con esto sexiones correspo

onexiones co

montaje del vibina está instal. Para montar

a que la vibracs los cospeles

descrito antees regulable.

-profundo

que no la tiene un tazón, el

eles comienzanma de espiral.

el tazón, en la cza de la parte a hasta un límbración para detamiento exces

ón contenedo

o del tazón, se el tazón. El vibrador de frecuenr se excita la be regula la veloondientes a la

rrespondiente

brador electroada sobre unael vibrador se

ción se transm. El vibrador eriormente, las

en. El funcionacual está mo

n a ser desplaz

cual se apreciainferior hacia lite de 75 kilogesplazar a unasivo en la bobin

or de cospeles

implementa unrador electromancia y bobina, bobina a diversocidad de avanbobina.

es al sistema d

omagnético, ena placa de acee ha instalado

mita a la estrucelectromagnétic

piezas son s

amiento de estontado sobre zados en el inte

an los canales qa parte superio

gramos de cosa velocidad adena.

s.

n sistema de vagnético se coy elementos es

sas frecuenciasnce de los cos

de vibración.

n la cual se obro de 2 pulgado un arreglo dctura principal.co funciona coseleccionadas

te selector de un vibrador e

erior del mismo

que guían el por del tazón. P

speles, esto deecuada los cos

vibración, el cuonstituye por distructurales co

s, que se tradupeles. En la Fi

bserva la lámindas de grosor, de resortes de Sobre la bob

on corriente altde forma corr

37

piezas electro-o tazón

aso de Para un ebido a speles,

al está versos

omo un cen en igura 5

na que la cual acero

bina se terna a recta y

La MecaAutomat

5 L

alimentalimentcospel.

E

cuales cospel, el cambrampa. momengenera

E

voltear con la caliment


5.3. Alimenta

Las piezas proador, el cual tieador cuenta c

El pistón de dpermiten reguestos cambian

bio de la posicUn sensor de

nto que se presque se deteng

En la Figura 7 cada cospel. Ecual los cospeador con el seg


ación y dosif

ovenientes delene como func

con un pistón

oble efecto cuular la velocidan su posición 9ción de las pieze tipo inductivosente una saturga el abasto de

se observa el En la parte infeeles son guiadogundo alimenta


Figura 6. V

ficación de m

l tazón contención alinear losneumático de

uenta con válvuad de avance 90° para así poszas en otros 9o montado al ración de cosp piezas.

diseño de esteerior de este pos al segundoador y de esta

Figura 7. Pri

-profundo

ibrador electr

materia prima

nedor son alims cospeles y as

doble efecto,

ulas reguladory retroceso desteriormente in

90° aproximadaprincipio del a

peles, envía la

e primer alimenprimer alimentao alimentador. forma asegura

mer alimentad

romagnético.

a.

mentadas de unsí se evitar ata

el cual se en

ras de caudal el émbolo. Un

ncorporarse a uamente, lo quealimentador deseñal al P.L.C

ntador, así comador se instalóÉsta pieza es

ar la correcta ca

dor de piezas.

na en una a uscos de materncarga de cam

en la entrada na vez que el una rampa, cuye es atribuible tecta el paso . y este a su ve

mo el proceso có una lámina q

para conectaaída de cospel

.

un primer dispria prima. Este mbiar la posici

y salida de aipistón empuja

ya función es ra la geometríade las piezasez al vibrador,

correspondientue tiene formar o acoplar al es.

38

positivo primer

ión del

ire, los a cada realizar a de la , en el lo que

te para a de V, primer

La MecaAutomat

Epiezas instaladalojandalcanzade abaj(altura determialiment

Esimple almaceque se sido retpistón spistón del últimcospel cospel. cospel diámetr


El segundo alimen el aliment

dos en la parteo en el fondo d

ado este nivel sjo hacia arribaajustable) deteina si el alimenador de piezas

Figura

El segundo aliefecto. De arrnados en el seha dosificado

tenidos. El segse energiza unde simple efecto cospel y caeen la correderEl segundo alcon que se traro del cospel.


mentador de ptador además inferior del sede este segundse comienza coa, el primer senermina el niventador ha alcas, así como los

8. Segundo a

mentador de criba hacia abajegundo alimenel cospel, el pundo pistón esa vez que se hto ha atorado e a la correderra final, el cicloimentador cue

abaje, de la m


piezas, consta de enviar la

egundo alimentdo alimentadoron la dosificacinsor sirve para

el óptimo de manzado un nive

pistones dosif

alimentador de

cospeles cuentjo, el primer ptador mientras

pistón de simpls un pistón de dha alcanzado elos cospeles sra donde despo de dosificacióenta con un sisisma forma los

-profundo

de tres sensorseñal a los p

tador. Los cospr, uno tras otroión de cospelea detectar mat

materia prima, el máximo de cficadores.

e piezas con p

ta con dos pistpistón es de sis el cospel inme efecto retraedoble efecto, coel nivel óptimo uperiores y es

pués es colocaón de cospelesstema que perms sensores ind

res inductivos, pistones neumpeles provenieo se van juntans a la matriz dteria prima en y el tercer secospeles. En l

pistones neum

tones neumátiimple efecto, s

mediato inferior e su émbolo y on el cual es dde materia pri

s entonces cuaado en la matris se vuelve a mite ajustar suductivos tambié

los cuales reamáticos dosificentes del primendo hasta alcael troquel. Los el alimentador

ensor (tambiénla Figura 8 se

máticos dosific

cos, uno de dosu función es es dosificado deja caer los c

dosificado el coima en el segundo el pistón diz del troquel. repetir hasta f ancho en funcén son ajustab

alizan la detecccadores de coer alimentador nzar un nivel ósensores indu

r, el segundo de altura ajuobserva el se

cadores.

oble efecto y oretener los coa la matriz. Ucospeles que h

ospel a la matriundo alimentadde doble afectoUna vez coloc

finalizar con el ción del diáme

bles dependien

39

ción de ospeles se van

óptimo, uctivos; sensor stable)

egundo

otro de ospeles na vez habían z, este

dor y el o libera cado el

último etro del ndo del

La MecaAutomat

5 E

dosificamanipusu adapacoplamEl acopguías drealizar

E

especiade la gu

5 L

de la metapa nordenadde fácil de contP.L.C., así comcuenta la Figur


5.4. Colocació

Esta es la etadas por el seglada por un pisptación a la mamiento a la troqplamiento de ladel troquel y lar el acoplamien

En caso de reqal, todo en funcuía de la corred

5.5. Etapa de c

La etapa de comarca SMC, coneumática, y ddor, y haciendoacceso usand

trol montado ael variador de

mo la interfaz pcon su unidad

ra 10 se observ


ón de materia

apa final del gundo alimentastón neumáticoatriz del troquequeladora, única deslizadera aa matriz no sento.

F

querir algún tipción del tipo dedera y de esta

control del sis

ontrol del alimeon el cual es dde la misma foo uso de los ado el programaa un costado dfrecuencia de

para adquisiciónde mantenimi

va el diseño bá

Figura 10. In


prima en matr

proceso, y codor a la matriz

o de doble efecel es muy verscamente se oria la troquelado

e han modifica

Figura 9. Acop

po de lubricantee lubricante a uforma se lubric

stema y adqui

entador automádesarrollado el orma el uso deccesorios com

a LabView (NI)de la estructurala bobina, la en de datos, estento para la pr

ásico del gabine

nstalación de

-profundo

riz de troquel.

onsiste en reaz del troquel. Pacto, esta deslizsátil, ya que noenta de manerora se observa

ado, así no exi

plamiento mat

e para los cospusar, el cual esca la pieza.

isición de dato

ático es llevadaprograma que

e este P.L.C. pmpatibles del P

. La máquina a principal, en lectroválvula, lto último de foreparación de aete de control y

gabinete de c

.

alizar el debidara ello se disp

zadera es de cao es necesario ra horizontal a a en la Figura iste la necesid

triz-deslizader

peles, se realizs rociado en ca

os.

a a cabo por une coordina todprovee una int.L.C., se desaralimentadora a el cual se insas conexiones

orma interna. Eaire para los py sus dispositiv

control con su

do desplazampone de una dearrera ajustablun medio espla base y con 9, la cual mu

dad de alterar

ra.

za usando aspantidades contr

n P.L.C. de usoa la etapa de terfaz muy dinrrolla una interautomática cuestala el gabines correspondienExternamente epistones, todo dvos correspond

us accesorios.

miento de las eslizadera, la ce a través del

pecial para reala matriz del testra que losel herramenta

persores de proroladas sobre la

o industrial modmando, así coámica con el rfaz de usuarioenta con un gaete donde se antes de alimenel gabinete del de la marca SMdientes.

40

piezas cual es pistón, lizar el roquel. postes al para

opósito a base

derado omo la equipo

o (GUI) abinete aloja el tación, P.L.C.

MC. En

La MecaAutomat

L

y con ubajo co

A

P

de la ppandeocilindronormalneumáseleccidebidodiámetuna prede ello

D

tiempo1.5 pienecesitobtiene

como lefecto.Q2 se c

Figura


La estructuraun espesor dosto. Sus prop

Acero de bajoEsfuerzo de tEsfuerzo de fElongación e

Por otra partepresión de trao admisible dos alcanzan vles. Sin emb

ática se trabionan pistone

o a que el pestro del vástagesión admisibs, usando la

Donde; 24 mo en que se dezas por seguta en la enten los flujos c

En la Figura la configurac En la posicióconecta el pis

11. Vista de la


6. E

está diseñade 3 mm. Éstepiedades mec

o carbono tensión: 3160fluencia: 2740n 50 mm: 21%

e, los cilindrobajo. Para ha

del vástago y velocidades qbargo, para aja con la ees en base aso de los cosgo y la carrerble de 3 a 6 bdistancia a re

mm es la distadebe cubrir laundo. Para orada y salida

correspondien

11 se observión interna deón de Q1 se astón.

as posiciones


Estructura

da y elaborade perfil cuentacánicas son [

0 kg/ cm ^2 0 kg/ cm ^2 %

os neumáticosacer esto, se d

el consumo dque, en la maun cálculo menergía almaa la tarea a peles es casia máxima pe

bar. Para obteecorrer en un

ancia o carrea distancia. Cobtener esta va de los actntes.

va la entrada e la válvula r

alimenta la vá

s de conexión

-profundo

y actuado

a con perfil tua con excelen[3]:

s son seleccideberán aplicdel aire [4]. C

ayoría de los más exacto, acenada por realizar y lasi despreciable

ermisible, adeener la velocidtiempo deter

era del pistónon la velocidvelocidad se tuadores neu

de Q1 y Q2 creguladora delvula con el a

y constitució

ores neumá

ubular rectanntes prestacio

ionados en fucar diversos cCon los valorecasos, son sdebe tomarsla presión

s característice (1.6 grs), se

emás los pistodad de los pi

rminado. Se o

n de entrada ad obtenida debe calcula

umáticos. Pa

correspondiene caudal corraire provenien

ón interna de

áticos.

gular, de 38.1ones mecánic

unción de la criterios, taleses que se ind

suficientes pase en cuentay el caudal cas de las pe hace la seleones selecciostones, se pa

obtiene la sigu

más la de sse alimentan

ar el flujo voluartiendo de la

ntes a la válvurespondiente nte del compr

la válvula reg

1 mm de cadcas, además

fuerza necess como la fuerdican en tablaara las aplicaca lo siguientde un fluid

iezas a despección en baonados operaarte de la seleuiente la velo

salida; 0.75 s aproximadamumétrico Q qa Ecuación (

ula reguladoral pistón de

resor, y en la

uladora (acot.

41

a lado es de

saria y rza de as, los ciones te: en o. Se

plazar, se del

an con ección cidad:

(1)

s es el mente

que se (2) se

(2)

ra. Así doble salida

. mm).

La MecaAutomat

C

obtienecada a13, lasconsid

efecto,el com


Con lo anterio

Q2=0 V1=12

Estos valoreen las velocidactuador neums cuales indierados son lo

Long Presi Masa Tiem

Figu

Figura 13

En la Figura arroja un coportamiento d


or se obtiene

0.000157 l/s 2.5 mm/s

s corresponddades teóricamático. Con ecan el comp

os siguientes:

itud de carrerón de funcion

a en movimienpo total de re

ura 12. Resulta

. Resultados o

12 se observmportamientodel mismo cili


lo siguiente:

den al caudaas en el pistóel monitoreo dportamiento d

ra requerida: namiento: 6 bnto: 1.62 grs.

ecorrido: 0.375

ados cilindro s

obtenidos cilin

va el comportao proporcionaindro de simp

-profundo

al y velocidaón de doble de los cilindro

del cilindro a

10 mm. bar. 5 s.

simple efecto;

ndro simple e

amiento del pal en cuanto aple efecto con

ad de la válefecto. Este

os neumáticolo largo de

; Tiempo-Reco

efecto; Tiempo

pistón de 12 mal recorrido v

n respecto a la

lvula regulad procedimien

os, se obtienela tarea a r

orrido-Velocid

o-Presión-Ace

milímetros devs tiempo. La a presión y ac

dora, con ellnto se realizaen las Figurasrealizar. Los

dad.

eleración.

e carrera de sFigura 13 mu

celeración.

42

os se a para s 12 y datos

simple uestra

La MecaAutomat

Y

alimensoldadcompoprograproduccorrespdeposial alim

S

despuécantidaestudiodecidetrabajoLa Tacompaobservmanua


Ya con el dtador, el cuas, elaboraci

onentes alojadma el P.L.C.

cto final, dondpondiente al tada la materentador.

Se obtuvo unés de elaborad aumenta vos posteriores manejar la c

o y ajustar losbla 1, mues

aración con lova que la canal.


diseño analítal no requieión de barrendos en su inEn la Figura de se represvibrador elec

ria prima, los

F

8

na alimentaciórar varias prvariando la vs se alcanzarcantidad de 1s parámetros stra la produos obtenidos

ntidad de sell


7.

ico y numérere de procenos, pintura, nterior, como 14 se muestenta en coloctromagnéticoalimentadore

Figura 12. Alim

8. Resulta

ón final de 72ruebas, en lavibración de ron alimentac.2 pzas/s debcon otras veloucción de ss en una posos o cospele

-profundo

Prototipo

rico, se contesos complejcolocación dlas electrová

tra una fotogrr amarillo la o, en su par

es de cospele

mentador de c

ados finale

2.5 piezas poas cuales sela bobina y

ciones de hasbido a que la ocidades impellos de mosición de traes embutidos

final.

tinúa con elejos, únicamedel gabinete álvulas y cajrafía correspolámina que a

rte superior ses y otros disp

cospeles final.

es obtenido

or minuto, (1.e obtuvo en el caudal de

sta 2 piezas pmáquina fue

plicaría nuevaonoblock obtabajo en el ms fue casi del

proceso deente cortes de control e as de conex

ondiente al alialoja en su ise visualiza epositivos prop

.

os.

2 pzas/s). Espromedio es

e admisión dpor segundo. e sometida a amente una intenidos duranmismo interval doble con r

e manufacturde perfil, uninstalación d

xión, así mismimentador ya nterior a la bel tazón don

pios que confo

ste dato se osta cantidad.e los pistoneEn este estuun intenso ci

nversión de tiente una horalo de tiempespecto al m

43

ra del niones de los mo se como

bobina de es orman

btiene . Esta es, en dio se clo de empo. ra, en po. Se método

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013Automatización del Proceso de Embutido Profundo/Semi-profundo

44

Tabla 1. Sellos de monoblock obtenidos por hora.

Tiempo (minutos)

# Sellos de Monoblock Obtenidos1 Posición Nuevo sistema

1 35 72 5 175 360

10 350 720 15 525 1080 20 700 1440 25 875 1800 30 1050 2160 60 2100 4320

Figura 13. Cantidad de cospeles introducidos de forma errónea durante una jornada laboral de 8 horas.

Otro punto importante es el costo de este alimentador en comparación con otros que existen en el mercado.

• Costo final del nuevo alimentador automático: $136 mil pesos. Con todos los gastos generados e impuestos incluidos.

• Costo de otros sistemas de colocación de piezas elaborado por FESTO PNEUMATIC SA de CV: $550 mil pesos. Más gastos de transportación, más gastos por capacitación y operación, más impuestos.

9. Conclusiones.

Se evita la interacción directa operador-máquina, y se reduce significativamente la posibilidad de que ocurra algún accidente hacia el operador.

Con el diseño de sistema de alimentación se aumenta la producción de piezas y al mismo tiempo se mejora la calidad del producto final reduciendo drásticamente las piezas que son mal formadas, con el nuevo sistema de alimentación es posible obtener una alimentación de cospeles mayor, esto en función del material y sus características físicas.

Se diseña de manera satisfactoria un dispositivo que se encarga de llevar a cabo la automatización de un proceso.

Finalmente, en comparación con otros dispositivos, los costos totales para la fabricación de uno con respecto a otro varían de forma significativa.

Referencias [1] Amstead, B. H., Ph. Oswald, F., Begeman, L. Procesos de Manufactura, Edit.: C. E. C. S. A. México, 2002. [2] Boothroyd, G. Fundamentals of Machining and Machine Tools, Edit. CRC Pr. I. Llc, 2005. [3] Aceromex. Catálogo de Perfiles Estructura Rectangulares, México, 2009. [4] Meixner, H., Kobler, R. Introducción en la Nuemática: Manual de Estudio, Edit.: FESTO, 1988.

volÚm en 2 nÚmer o 1 enero 2013 - mecamex.net · las redes neuronales, los algoritmos genØticos...

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