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INSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA

MECNICA Y ELCTRICAUNIDAD AZCAPOTZALCO

DISEO Y CONTRUCCIN DE UN BRAZO ROBOT DE 6 GRADOS DELIBERTAD CON FINES EDUCATIVOS PARA APLICACIONES EN

NIVEL MEDIO SUPERIOR

TESIS PROFESIONAL

QUE PARA OBTENER EL TTUTLO DE

INGENIERO EN ROBTICA INDUSTRIAL

P R E S E N T AC. AGUILAR GALICIA VICTOR JORDAN

ASESORES DE TESIS:M. en C. RAMON VALDEZ MARTINEZING. RAMON RODRIGUEZ LUNA

MXICO, D.F. DICIEMBRE, 2011.

Agradecimientos

A mis padres por ensearme que lavida est llena de retos y ante todopor darme su amor y cario comoprincipales herramientas para podersuperarme y ver mis sueos hechosrealidad.

A mis hermanos Luis, Fernanda,Meli y Mihael por su cario yhermandad que me han inspiradopara ser una persona de bien y unhermano ejemplar.

A mi nia hermosa Magali, porhaberme apoyado de una maneraincondicional para que todo estofuera posible, por su paciencia ylealtad, pero sobre todo por todo suamor y cario que sirvi deinspiracin para superarme con estelogro.

A mis amigos por compartir tantosmomentos agradables y sobre todopor su verdadera amistad en lasbuenas y en las malas.

A mis asesores, por darme laoportunidad de consolidarme comoprofesionista, por apoyarme con susconsejos y sobre todo por compartirconmigo sus conocimientos durantela carrera y la tesis.

Al Instituto Politcnico Nacional y ala ESIME Azcapotzalco, porpermitirme forjarme dentro de susaulas y ensearme todos losconocimientos necesarios paraenfrentar los retos laborales de lavida.

GRACIAS!

INSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCOTesis: Diseo y Construccin de un Brazo Robot de 6 Grados de Libertad con Fines Educativos

para Aplicaciones en Nivel Medio Superior

I

I.- RESUMEN

Este trabajo presenta el diseo y desarrollo de un brazo robot de 6 grados delibertad que ser utilizado para difundir de una manera ms abierta y fcil lacultura de la robtica en las aulas de los jvenes estudiantes que se interesanpor la ingeniera, teniendo como bases la programacin y la electrnica paraayudarnos a comprender el rol tan importante de la automatizacin de losprocesos cotidianos en nuestros das y que en algn momento se aplicarn enlos medios de transporte as como en nuestro hogar para orientarlos almejoramiento de la calidad de vida del ser humano.

Este tipo de herramientas estn destinadas para su aplicacin en niveles desdesecundaria hasta el nivel medio superior y debido a su bajo costo, fcilprogramacin mediante la interfaz tipo Teach pendant y sobre todo a suaccesibilidad ya que no es necesario un ordenador para programarlo;considerablemente podran detonar la creatividad e ingenio de los futurosingenieros al ver que en nuestro pas es posible crear tecnologa propia a bajocosto sin demeritar la calidad y funcionalidad del brazo robot.A su vez la sencillez del diseo le permite ser de fcil mantenimiento con sloreemplazar algunos de sus componentes electrnicos y gracias a su softwarelibre le permite una flexibilidad para mejoras en su programacin yfuncionabilidad del brazo robot.

Este trabajo representa el esfuerzo y dedicacin de personas que quieren queen nuestro pas se desarrolle una cultura y sobre todo una vertiente tecnolgicaque nos permita desarrollar nuestras propias invenciones y no depender de latecnologa importada que muchas veces es cara en cuanto a desarrollo ymantenimiento se refiere. Adems de la intencin de servir como base parafuturos desarrollos y mejoras en diseo estructural del brazo robot as comomejorar el diseo de la interfaz de control del brazo robot de 6 grados delibertad.




II

II.- ABSTRACT

This paper presents the design and development of a robot arm with 6 degreesof freedom that will be used to spread in a more open and easy way the cultureof robotics in the classroom of young students interested in engineering, havingas basis programming and electronics to help us understand the important roleof automating everyday processes in our day and that at some point will beapplied in transportation and at home to guide the improvement of the quality oflife of the human being.

This kind of tools are intended for use at levels from high school to the highschool level and due to its low cost, easy to program by using a "Teachpendant" type interface and especially its accessibility as it is not necessary toprogram it with a computer; considerably could trigger creativity and ingenuity offuture engineers to see that our country can create its own technology at lowcost without compromising the quality and functionality of the robot arm.At the same time, the simplicity of design allows it to be easily maintained bysimply replacing some of its electronics and thanks to their free software allowsflexibility for improvements in the programming and functionality of the robotarm.

This work represents the efforts and dedication of people who want our countryto develop a culture and above all a technological component that allows us todevelop our own inventions and not rely on imported technology often isexpensive in terms of development and maintenance is concerned. Besidesintended to serve as a basis for future developments and improvements instructural design of the robot arm as well as improving the design of the controlinterface of the robot arm with 6 degrees of freedom.




III

III.- OBJETIVO

Disear y construir un brazo robtico con el cual se puedan grabar lascoordenadas de posicin mediante un sistema de control con teachpendantanlogo, para efectos de ser utilizado como una herramienta para promover laRobtica educativa en el nivel medio superior.

Objetivos Particulares

Realizar el diseo del sistema de control de movimiento del brazo. Modelar el brazo robtico en un entorno virtual utilizando NX 7.5.

Disear y construir la interfaz que permita la comunicacin y control delbrazo robot mediante el microcontrolador.

Desarrollar la simulacin dinmica del Brazo Robtico en Sketchup.

Crear y compilar el programa para el PIC y construir el esquema delcircuito impreso que comunicara y controlar a los servomotores.

IV.- JUSTIFICACIN

El uso de nuevas tecnologas como la robtica en la educacin permite yfomenta el desarrollo de la ciencia para las futuras generaciones de nuestropas, debido a esto surge la necesidad de desarrollar nuevas herramientas deorigen nacional que permitan el acercamiento de stas tecnologas a los futurosprofesionistas a precios accesibles y con una excelente calidad demostrandoque en nuestro pas y concretamente en el Instituto Politcnico se puedendesarrollar ste tipo de instrumentos.

Es por esto que nace el deseo de disear y desarrollar dispositivos que estn alalcance de estudiantes de secundaria hasta nivel medio superior, todo estomediante el uso de una interfaz amigable que les permita desarrollarhabilidades dentro del rea de las ciencias, la ingeniera y el conocimiento.


UNIDAD AZCAPOTZALCO

Tesis: Diseo y Construccin de un Brazo Robot de 6 Grados de Libertad con Fines Educativospara Aplicaciones en Nivel Medio Superior

INDICEI. RESUMEN III. ABSTRACT IIIII. OBJETIVO IIIIV. JUSTIFICACIN III

CAPITULO 1.- ROBTICA EDUCATIVA

1.- Introduccin a la Robtica Educativa 11.1.1.- Definicin 21.1.2.- Origen 21.2.- Objetivos de la Robtica Educativa 31.3.- Aplicacin de la Robtica Educativa 31.4.- Robtica Educativa en Mxico 4

CAPITULO 2.- ANTECEDENTES DE LA ROBOTICA

2.1.- Historia de la Robtica 72.2.- Tipos de Robot 112.2.1.- Robot Mviles 112.2.2.- Robot Humanoide 122.2.3.- Robot Industriales 142.3.- Morfologa de los Robot Manipuladores 162.3.1.- Estructura Mecnica de un Robot Industrial 162.3.2.- Estructura Cinemtica 172.4.- Elementos y Enlaces. Grados de Libertad 182.5.- Tipos de Articulaciones 212.5.1.- Articulacin Rotacional 22


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2.5.2.- Articulacin de Torsin 222.5.3.- Articulacin de Revolucin 222.6.- Configuraciones Bsicas 232.6.1.- Robot Cartesiano e2xm3 242.6.2.- Robot Cilndrico rt33 252.6.3.- Robot Esfrico Fanuc l1000 252.6.4.- Robot SCARA 262.6.5- Robot Angular kr500 262.6.6.- Robot Paralelo 340 272.7.- Resolucin y Repetibilidad 272.7.1.- Precisin de Movimientos 27

CAPITULO 3.- DISEO MECANICO Y CALCULO DEESFUERZOS

3.1.- Anlisis esttico 313.2.- Esfuerzo Cortante y Flexionante 353.2.1.- Esfuerzos en los elementos de una estructura 353.2.2.- Anlisis y Diseo 363.3.- Esfuerzo Cortante 373.4.- Torsin 393.4.1.- Esfuerzos en el rango elstico 413.5.- Flexin Pura 423.5.1.- Esfuerzos y deformaciones en el rango elstico 433.6.- Simulacin de esfuerzos mediante Mtodo delelemento finito

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CAPITULO 4.- DISEO E IMPLEMENTACIN DE UNBRAZO ROBOT DE 6 GRADOS DE LIBERTAD

4.1.- Construccin de parte fsica y mecnica de BrazoRobot

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4.1.1.- Componentes del brazo robot 514.1.2.- Servomotores 524.1.3.- Motor de corriente contina 524.1.4.- Circuito de control 524.1.5.- Terminales 534.2.- Elaboracin de brazo mecnico 554.3.- Diseo de tarjeta de control del Brazo Robot de 6GDL

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4.3.1.- Microcontrolador PIC16F877A. 654.3.2.- Teclado matricial de 4x4 teclas 684.3.3.- Pantalla LCD de 20x4 caracteres 694.3.4.- Joystick anlogo de 2 ejes con potencimetros 704.4.- Compilador PicBasic Pro 734.5.- Microco de Studio 744.6.- Tarjeta de control del Brazo Robot 75

CAPITULO 5.- COSTOS DEL PROYECTO

5.1.- Costos de Insumos 905.2.- Costos de Ingenieria 935.2.1.- Ingeniera de detalle 935.2.2.- Mano de obra 935.3.- Costos Indirectos 945.4.- Costo Total 95


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5.5.- Comparacin de precios con otros Brazos Robot 95

CONCLUSIONES 98GLOSARIO 99BIBLIOGRAFIA 104ANEXOSndice de Figuras 105ndice de Tablas 110Circuitos electrnicos y hojas de especificaciones 111




Captulo 1 Robtica Educativa Generalidades0

CAPITULO 1.- ROBTICA EDUCATIVA





1.- INTRODUCCIN A LA ROBOTICA EDUCATIVA

La Robtica Educativa es un medio de aprendizaje, en el cual participan laspersonas que tienen motivacin por el diseo y construccin de creacionespropias (objeto que posee caractersticas similares a las de la vida humana oanimal). Estas creaciones se dan en primera instancia de forma mental yposteriormente en forma fsica, las cuales son construidas con diferentes tiposde materiales y controladas por un sistema computacional, los que sonllamados prototipos o simulaciones.

En sus inicios los autmatas eran realizados con materiales fciles deencontrar, ya sea con madera, cobre o cualquier otro material fcil de moldear.

Figura 1.1 Robtica Educativa





1.1.1.-DefinicinEs el conjunto de actividades pedaggicas que apoyan y fortalecen reasespecficas del conocimiento y desarrollan competencias en el alumno, a travsde la concepcin, creacin, ensamble y puesta en funcionamiento de robots.

El objetivo de la enseanza de la Robtica, es lograr una adaptacin de losalumnos a los procesos productivos actuales, en donde la Automatizacin(Tecnologa que est relacionada con el empleo de sistemas mecnicos,electrnicos y basados en computadoras; en la operacin y control de laproduccin) juega un rol muy importante. Sin embargo la robtica se consideraun sistema que va ms all de una aplicacin laboral.

Algo que tambin cabe mencionar en el estudio de la Robtica, es la grannecesidad de una perfecta relacin entre el Software y el Hardware del Robot,ya que los movimientos que realizar ste Robot es un acoplamiento entre lofsico y lo lgico.

1.1.2.-Origen

La Robtica Educativa se centra principalmente en la creacin de un robot conel nico fin de desarrollar de manera mucho ms prctica y didctica lashabilidades motoras y cognitivas de quienes los usan. De esta manera sepretende estimular el inters por las ciencias duras y motivar la actividad sana.As mismo hacer que el nio logre una organizacin en grupo, discusiones quepermitan desarrollar habilidades sociales, respetar cada uno su turno paraexponer y aprender a trabajar en equipo.





Figura 1.2 Robot LEGO

1.2.- OBJETIVOS DE LA ROBTICA EDUCATIVA Promover los experimentos, donde el equivocarse es parte del

aprendizaje y el auto descubrimiento. Ser ms responsables con sus cosas. Desarrollar mayor movilidad en sus manos. Desarrollar sus conocimientos. Desarrollar la habilidad en grupo, permitiendo a las personas socializar. Desarrollar sus capacidades creativas. Poder observar cada detalle. Desarrollar el aprendizaje en forma divertida

1.3.- APLICACIN DE LA ROBTICA EDUCATIVA

La aplicacin de la robtica en la educacin, puede clasificarse como:

Objeto de estudio en s misma. La Robtica definida como "educacin para larobtica", es decir, definida como objeto de estudio y dominio, ya sea para finesindustriales, cientficos, exploratorios, etc. Programas educacionales, queemplean la simulacin de control de robots como medio de enseanza.

Recurso en el mbito educativo (educativo o pedaggico). La robtica para laeducacin definida como medio para estimular el acercamiento personalizado,





el estudio e investigacin, la construccin e invencin de y con los materiales yconceptos de las "ciencias" y "tecnologas" que convergen en ella.

Uso de robots que estn en conjuncin con el lenguaje LOGO para ensearciencias computacionales. LOGO fue creado con la intencin de proporcionar alestudiante un medio natural y divertido en el aprendizaje de las matemticas.

Uso de los robots en los salones de clases, lo cual se realiza por medio de unaserie de manipuladores de bajo costo, robots mviles, y sistemas completosque han sido desarrollados para su utilizacin en los laboratorioseducacionales.

1.4.- ROBTICA EDUCATIVA EN MXICO

En Mxico hay varios esfuerzos por proponer una cultura de robtica educativa,algunos basados en la importacin de Kits de desarrollo y algunos basados enla ingeniera nacional. Es la red nacional de museos de ciencia y tecnologa laencargada de ser la anfitriona de parte de estos esfuerzos, as el Museo Horno3 de Monterrey, El papalote en la Ciudad de Mxico o Semilla en Chihuahuaimparten cursos de este tipo, ya sea con ideas importadas o con ideasnacionales.

Mxico desde 2008 toma un papel importante en el hemisferio a raz delsurgimiento del recurso didctico Robo-Ed, que basado en lo que se esthaciendo en pases asiticos, a partir de Kits educativos que involucran partesplsticas, metlicas partes electrnicas y el uso de herramientas, disea yproduce contenidos educativos adecuados a nuestra regin, basados en elfortalecimiento del conocimiento y desarrollo de competencias. La riqueza delconcepto es que se atiende grupos de todas las edades, culturas, vocaciones yperfiles.





En Chihuahua al norte del pas surge SualLabs el cual consiste en laintegracin de materiales de robtica y electrnica, de desarrollo 100%nacional, en la que se involucran: Guas curriculares, Planes generales decursos, Manuales del alumno. Con este tipo de productos se incentivan, elconocimiento tecnolgico, las capacidades tcnicas, el trabajo en equipo y lashabilidades de anlisis. Ayudando a elevar la calidad de la educacin enMxico.

La robtica educativa, ayuda en el desarrollo e implantacin de una nuevacultura tecnolgica, mediante la generacin de entornos de aprendizajebasados fundamentalmente en la actividad de los estudiantes; adems permiteel entendimiento, mejoramiento y desarrollo de las tecnologas, contribuyendotodo ello al desarrollo de la creatividad y el pensamiento de los educandos.

Con la robtica educativa los alumnos podrn concebir, desarrollar y poner enprctica diferentes robots educativos, que les permitirn resolver ciertosproblemas y les facilitarn al mismo tiempo, ciertos aprendizajes.

Por medio de la robtica educativa, se pueden crear las condiciones deapropiacin de conocimientos y admitir su transferencia en diferentes camposdel conocimiento (matemticas, ciencias naturales y experimentales, tecnologay ciencias de la informacin y la comunicacin, entre otras).





Figura 1.3 Ganadores Mexicanos de Concursos de Robt4ica Internacional




Capitulo 2.- Antecedentes de la Robtica.6

CAPITULO 2.- ANTECEDENTES DE LA ROBTICA





2.1.- HISTORIA DE LA ROBTICA

Durante los ltimos cincuenta aos, la robtica no slo ha incursionado en laindustria, centros de investigacin, universidades y hospitales, actualmenteexisten fbricas completamente automatizada mediante robots manipuladores.Hoy en da, la robtica es tan familiar que se pueden encontrar robots en elhogar realizando tareas domsticas. No obstante, se considera como un reajoven en constante crecimiento. La robtica es una disciplina cientfica queaborda la investigacin y desarrollo de una clase particular de sistemasmecnicos, denominados robots manipuladores, diseados para realizar unaamplia variedad de aplicaciones industriales, cientficas, domsticas ycomerciales.

La naturaleza multidisciplinaria de la robtica permite involucrar una grancantidad de reas del conocimiento tales como matemticas, fsica, electrnica,computacin, visin e inteligencia artificial, entre otras- Por otro lado, auncuando la robtica es un rea eminentemente experimental todos susresultados estn sustentados con un estricto rigor cientfico.

En general la mecatronica es la integracin de los sistemas mecnicos con laelectrnica, por tanto el tipo de sistemas mecnicos que estudia y analiza lamecatrnica es mucho ms general, de hecho son sistemas que realizan unadeterminada funcin mientras que los robots se caracterizan por ser sistemasmecnicos multifuncionales.

El trmino robot proviene de la palabra checa ROBOTA y significa trabajo; fueintroducido en nuestro vocabulario por el dramaturgo Karel Capek en 1921 ensu novela satrica Rossums Universal Robots, donde describe al robot comouna mquina que sustituye a los seres humanos para eje cutartareas sindescanso; a pesar de esto, los robots se vuelven contra sus creadores





aniquilando a toda la raza humana. Desde aquel entonces, prcticamente acualquier sistema mecnico con movimiento se le llama robot.

Existen varias definiciones para describir a un robot, entre ellas la queproporciona una mejor descripcin es la adoptada por el Robot Institute ofAmrica (RIA) la cual establece:

Un robot es un manipulador multifuncional reprogramable diseado paramover materiales, partes, herramientas o dispositivitos especializados atravs de movimientos programados para la ejecucin de una variedadde tareas.

Figura 2.1 Robot PUMA 200

Esta definicin que data desde 1980, refleja el estado actual de la tecnologaen robtica.

Desde el punto de vista cientfico, los robots manipuladores como objetos deestudio ofrecen un amplio espectro en la formulacin de problemas tericoprcticos debido a la naturaleza no lineal y multi-variable de su comportamientodinmico. Los robots han tenido gran aceptacin en la industria, al grado de





que se han convertido en elemento clave del proceso de automatizacinindustrial, debido a los beneficios que han trado consigo, tales como reduccinde costos, incremento de la productividad, mejoramiento de la calidad delproducto y reduccin de problemas en ambientes peligrosos al ser humanocomo, por ejemplo, ambientes radioactivos.

Una de las caractersticas principales de la robtica es que como reatecnolgica tiene flexibilidad para automatizar y adaptarse a ambienteslaborales y su tendencia siempre estar vigente.

Entre las principales reas que se cultivan en robtica se encuentran: controlde movimiento, diseo de ambientes de programacin, inteligencia artificial,sensores, visin, planificacin y coordinacin, entre otras. Los robotsmanipuladores representan nuevas fronteras para el desarrollo y bienestar dela sociedad, son piezas claves de la modernizacin tecnolgica y hanrepresentado un factor clave de la economa mundial. Dentro del asaplicaciones en el mundo real se encuentran: tele-operacin, medicina, juegos,agricultura, operaciones espaciales, manufactura, entre otras.

La robtica se ha convertido en un rea clave y estratgica para todo pas endesarrollo, es sinnimo de la modernizacin y coadyuva a proporcionarbienestar a la sociedad. Los robots pueden realizar aplicaciones de altoimpacto en la sociedad, por ejemplo fisioterapia asistida por robtica donde elpaciente recobra la movilidad de sus extremidades con mayor facilidad,eficiencia y menor tiempo. Particularmente, para un cierto sector de nuestrasociedad, especficamente personas con capacidades diferenciadas, los robotspueden mejorar la calidad de vida. Tal es el caso de aquellas personas que nopueden valerse por s mismas, para stas un robot significa un asistenteimpredecible que puede ayudar en sus actividades cotidianas.





El uso de la robtica en medicina juega un papel destacado, ya que seconvierte en una eficiente herramienta que permite incrementar la seguridad yexactitud en la ejecucin de cirugas de alto riesgo.

Por ejemplo, utilizando la tcnica de terapia asistida por computadora (CAT), larobtica permite incrementar la destreza y exactitud de cortes quirrgicos, ascomo aprovechar la experiencia y conocimiento de cirujanos que por razonesde edad o de enfermedad han perdido la habilidad y destreza que se requiereen dichas operaciones quirrgicas.

Desde hace varios aos se han estado empleando robots manipuladores encirugas de alto riesgo, por ejemplo cirugas de los ojos, a corazn abierto, o ensituaciones mucho ms complejas como retirar agua del cerebro. Laautomatizacin de quirfanos a travs de robots garantiza mayoresposibilidades de xito en las cirugas complicadas, evitando errores humanospor cansancio o fatiga, brindando al especialista un instrumental de altaprecisin y esperanza de vida a los pacientes.

Otra de las aplicaciones donde tiene gran demanda la robtica es en la realidadvirtual, ya que se desarrollan brazos mecnicos con interfaz adecuada queincluye programacin, sistemas de visin, diseo electrnico y sensores con lafinalidad de llevar imgenes al cerebro de un ambiente conocido y modeladopara poder interactuar con l como en la vida real.

La realidad virtual proporciona un excelente medio de simulacin quereproduce fielmente los fenmenos fsicos que se encuentran presentes en lossistemas dinmicos complejos, y puede recrear situaciones extremas de peligrodonde el operador deber tomar decisiones importantes. Es importantedestacar que la realidad virtual no es un simple sistema de Animacin, por elcontrario es un sofisticado simulador ya que el modelado es realizado por





medio de sistemas dinmicos que incorporan las caractersticas y detalles delambiente.

Actualmente, la realidad virtual representa el mtodo ms importante paraentrenar y capacitar a conductores de automviles, motocicletas, pilotos deaeronaves (simuladores de vuelo), astronautas, cirujanos, etc.

En nuestros das, la realidad virtual ha llegado a los video juegos, donde losnios jugando aprenden no slo a ejercitar la mente sino tambin su sistemalocomotor en la medida en que se incorporan ejercicio fsico a sus rutinas, deesta forma la realidad virtual es una herramienta mucha ms completa yadecuada, ideal para fisioterapia y rehabilitacin de lesiones en msculos ytejidos.

2.2.- TIPOS DE ROBOT

Actualmente existe una gran variedad de robots con diversas estructurasgeomtbicas y mecnicas que definen su funcionalidad y aplicacin.

A continuacin se da una breve descripcin de cada tipo de robot clasificado enla tabla anterior.

2.2.1.- Robots Mviles

Los robots mviles pueden ser clasificados de acuerdo con el medio en el quese desplacen: terrestres, marinos y areos. Los terrestres generalmente sedesplazan mediante ruedas o patas; tienen aplicaciones en rastreo y trasladode objetos, evasin de obstculos, traslado de instrumental quirrgico enhospitales, limpieza del rea del hogar, ambientes cooperativos y en laindustria donde se emplean para anlisis e inspeccin de fisuras engaseoductos y contenedores de petrleo, por ejemplo. Otra clase de robots





mviles como AIBO de Sony son los tipo mascota (robots perros y gatos)diseados para ser verstiles en sus movimientos.

Los robots mviles marinos son robots submarinos equipados con sensoresespeciales para navegacin dentro del agua como sonar, radar, visintelescpica, giroscopio, adems poseen sistemas electrnicos complejos queles permiten sumergirse y/o elevarse. Los robots areos son aeronaves notripuladas como helicpteros o pequeos aviones operados a control remoto,pueden proporcionar imgenes areas para reconocimiento de terreno ysuperficie, y son muy tiles en problemas de anlisis de trfico e inspeccin deedificios.

Figura 2.2 Robot Mvil2.2.2.- Robots Humanoides

El campo de la robtica incluye el desarrollo de robots humanoides, tambinconocidos como androides, los cuales son maquinas antropomrficas capacesde imitar las funciones bsicas del ser humano tales como caminar, hablar, ver,recolectar, limpiar y trasladar objetos.





Se muestran algunos prototipos de humanoides cientficos, como es el caso delrobot pianista Don Cuco el Guapo de la Benemrita Universidad Autnoma dePuebla. Con estas caractersticas, los robots humanoides pueden llevar a cabofunciones similares a las de un mayordomo como los describe Karel Capek ensu novela satrica Rossums Universal Robots la cual fue la base de la pelculaYo, robot. En un futuro cercano, con el avance de la tecnologa los robotshumanoides, ms que ser maquinas multifuncionales, intentarn inspirar ycomunicar emociones como se planteen la pelcula El hombre Bicentario.

Los androides actuales poseen la capacidad de realizar actividadescomplicadas, por ejemplo, ejecutar actividades de danza, alcanzar velocidadesde 6 km/hora (robot ASIMO Advanced Step in Innovative Mobility), y ms aun,el principal potencial del androide es que puede ser empleado en auxiliar apersonas en zonas de desastres, es decir, buscar vctimas atrapadas enlugares donde hay derrumbes, llevarles agua, inclusive rescatar y salvar vidas.Actualmente el aspecto de los robots androides es mucho ms humano, lo quelos haces ms amigables. Un androide puede asistir a personasdiscapacitadas, puede guiar a personas invidentes, los ayuda a trasladarse adiversos sitios, tambin puede orientar a las personas y comunicar ordenes.

Figura 2.3 Robot Humanoide





2.2.3.-Robots Industriales

Figura 2.4 Robot Soldador Industrial en la Industria Automotriz

Los robots industriales son el tipo de robots ms populares, debido a laimportancia que ocupan en el sector industrial como herramientas clave para lamodernizacin de las empresas. Hoy en da, la automatizacin de procesosindustriales es realizada a travs de robots y esto trae como consecuenciacompetitividad, productividad, eficiencia y rentabilidad de las empresas.

Los robots industriales tambin son conocidos como brazos robots o brazosmecnicos, por analoga con el brazo humano, y se componen de la base lacual puede rotar 360 grados alrededor de su eje de giro, adems de queposeen articulaciones para hombro y codo. En el extremo final del codo tienenuna parte mecnica denominada mueca que le permite orientar a laherramienta final que es la que determina la aplicacin a realizar. En la figura1.9 se muestra un robot industrial de la compaa ABB para aplicaciones detraslado de cajas o estibado; un ejemplar de esta naturaleza tiene un pesoaproximado de 3 toneladas, puede alcanzar una altura de 4 metros y velocidadde movimiento de 3000 mm/seg.





Dentro de las caractersticas de los robots industriales se encuentra el quetrabajan sin descansar las 24 horas del da, todos los das del ao, por lo queen aplicaciones industriales superan en desempeo a las personas, ya que losrobots no se fatigan ni se cansan, y tienen la habilidad de repetir el procesosiempre con el mismo tiempo y la misma calidad (repetitividad).

Robot Industrial: oficialmente la ISO (International Organization forStandardization) lo define como un manipulador multipropsito, reprogramabley controlado automticamente en tres o ms ejes Entre las compaas msimportantes que disean y construyen robots industriales se encuentranFANUC, ABB, KUKA, MOTOMAN, EPSON; cuentan con una gran diversidadde modelos de robots para diferentes aplicaciones industriales.

Las principales aplicaciones que tienen los robots industriales son proceso depintado de carroceras automotrices, accesorios, cubetas, tinas, cajas,soldadura de punto y por arco en carroceras automotrices, puertas y diversaspiezas industriales; traslado de herramientas, estibado y empaquetado demateriales, etc.

En forma general, un robot industrial est formado por los siguientes elementosdescritos brevemente:

Articulaciones o uniones formadas por servomotores que permiten laconexin y movimiento relativo entre dos eslabones consecutivos delrobot. Dependiendo del tipo de movimiento que produzcan lasarticulaciones del robot pueden ser de tipo rotacional o lineal. Lasarticulaciones de tipo lineal tambin son conocidas como prismticas. Lasunidades de medicin que se asocian a una articulacin de tipo rotacionalestn dadas en radianes o grados, mientras que para una articulacin detipo lineal generalmente se encuentran en metros.





Actuadores: suministran las seales necesarias a las articulaciones paraproducir movimiento. Los actuadotes empleados en robtica pueden serservomotores, elementos neumticos, elctricos o hidrulicos.

Sensores: proporcionan informacin del estado interno del robot.Posicin y velocidad articular son las variables ms comunes en elsistema de sensores. En aplicaciones especficas, se emplean sensoresde fuerza para conocer la interaccin con el medio ambiente, cmaras devideos para localizar objetos en el espacio de trabajo. La capacidad depercepcin del robot es mejorada a travs del sistema de sensores que lepermite responder a su entorno de manera verstil y autnoma. Enrobtica son de particular inters los encoders pticos, ya que estosproporcionan informacin del desplazamiento articular. En general losencoders pticos consisten de una fuente de luz (emisor) que incidedirectamente sobre el lado frontal de un disco o plato con ranurastransparentes, colocado directamente en el rotor del motor que al girarpermite el paso de ciertos rayos de luz, el detector de luz (receptor)registra los rayos infrarrojos que han pasado por las ranuras del disco,esta seal de luz es acoplada a un circuito electrnico para generar.

2.3.- MORFOLOGA DE LOS ROBOTS MANIPULADORES.2.3.1.-Estructura Mecnica de un Robot Industrial.

La configuracin de la estructura mecnica de los robots industriales no buscauna rplica humana sino funcional.

Los robots manipuladores son, esencialmente, brazos articulados.





Brazo Humano Brazo Robtico

Huesos Eslabones

Msculos Acciomadores

Tendones Transmisiones

Nervios Cables de SealTabla 2.1.-Similitudes del Brazo Robot con Brazo Humano

Ubicada en el extremo del Robot, est la mueca que permite orientar en elespacio de trabajo el elemento Terminal (pinza, pistola de soldar, ventosas,herramientas, etc)

Figura 2.5 Extremo de un Brazo Robot

2.3.2.-Estructura cinemtica

Un manipulador industrial convencional es una cadena cinemtica abiertaformada por un conjunto de eslabones o elementos de cadenainterrelacionados mediante articulaciones o pares cinemticas.





Figura 2.6 Estructura Cinematica

2.4.- ELEMENTOS Y ENLACES. GRADOS DE LIBERTAD

Figura 2.7 Grados de LibertadCada uno de los movimientos independientes que puede realizar unaarticulacin con respecto a la anterior se denomina grado de libertad.





Figura 2.8 Movimientos que puede realizar una articulacin Tamao reducido

Modelado matemtico sencillo(p. ej. ejes que se corten)

Potencia adecuada a la tarea a realizar.

Conexin del elemento Terminal cercano a los ejes para maximizar paramaximizar la precisin.





Figura 2.9 Tres grados de libertad ms los de la mueca.

Figura 2.10 Robot redundante, cuatro grados de libertad para evitar los obstculos

Figura 2.11 Robot redundante para aumentar su espacio de trabajo.





2.5.- TIPOS DE ARTICULACIONES

Figura 2.12 Tipos de Articulaciones

Las uniones son elementos rgidos que se emplean para la conexin dediversas articulaciones del robot. En una cadena de uni-articulacin de robot.En una cadena de unin-articulacin-unin, se le denomina unin de entrada aleslabn que est ms cerca de la base del robot, a la otra unin porconsiguiente se le llama unin de salida. La unin de salida es la que sedesplaza con respecto a la unin de entrada.

El movimiento de las uniones puede ser lineal o rotacional. Las articulacioneslineales implican un movimiento deslizante o de translacin de las uniones deconexin, este movimiento puede ser generado por pistones o por medio dehacer deslizar el elemento sobre un carril o gua usando dispositivosmecnicos, elctricos o neumticos.





2.5.1.- Articulacin Rotacional, el eje de rotacin es perpendicular a los ejesde las dos uniones.

Figura 2.13 Articulacin Rotacional

2.5.2.- Articulacin de Torsin, la cual realiza un movimiento de torsin entrelas uniones de entrada y salida, y el eje de torsin de esta articulacin esparalela al eje de las dos uniones.

Figura 2.14 Articulacin de Torsin

2.5.3.- Articulacin de Revolucin, en este tipo de eje de rotacin es paraleloal eje de la unin de entrada y perpendicular al de la unin de salida, es decir launin de salida gira alrededor de la entrada.

Figura 2.15 Articulacin de Revolucin





2.6.- CONFIGURACIONES BSICAS

Figura 2.16 Configuraciones Bsicas de un Brazo Robot

El espacio o volumen de trabajo, est formado por todas las posiciones delespacio potencialmente accesibles por el extremo de su mueca.





Figura 2.17 Grados de Libertad

2.6.1.-Robot Cartesiano e2xm3

V = 3 L3Figura 2.18 Robot Cartesiano e2xm3

Est formado por tres articulaciones de tipo prismtico con ejes ortogonalesentre s. El robot cartesiano y el robot cilndrico presentan volmenes de trabajoregulares.





2.6.2.-Robot Cilndrico rt33

V= (28/3) L3Figura 2.19 Robot Cilndrico rt33

Una articulacin rotacional y dos prismticas. La primera con eje paralelo a lasegunda. El robot de configuracin cilndrica presenta un volumen de trabajoparecido a un cilindro (normalmente este robot no tiene una rotacin de 360)

2.6.3.-Robot Esfrico Fanuc l1000

Figura 2.20 Robot Esfrico FANUC l1000

Dos articulaciones rotacionales ortogonales entre si y una prismtica con ejeortogonal a las dos primeras.





2.6.4.-Robot SCARA

Los robots que poseen una configuracin polar, los de brazo articulado y losmodelos SCARA presentan un volumen de trabajo irregular.

Figura 2.21 Robot SCARA

Dos articulaciones rotacionales y una prismtica con ejes paralelos.

a) Facilidad para trayectorias complejasb) Alta maniobrabilidadc) Accesibilidad a zonas con obstculos

2.6.5.- Robot Angular kr500

a) Tres articulaciones rotacionales.b) Las dos ltimas de ejes paralelos





Figura 2.22 Robot Angular kr500

2.6.6.- Robot Paralelo irb 340

Figura 2.23 Robot Paralelo irb 340

2.7.- RESOLUCIN Y REPETIBILIDAD.

2.7.1.- Precisin de movimientos

La precisin de movimientos en un robot industrial depende de tres factores: laresolucin espacial, la exactitud y la repetitividad.





a) resolucin espacial.- se define como el incremento ms pequeo demovimiento que puede ejecutar un robot.

La resolucin espacial depende directamente del control del sistema y de lasinexactitudes mecnicas del robot.

Figura 2.24 Resolucin Espacial

La resolucin espacial depende del control delsistema porque este, precisamente, es el mediopara controlar todos los incrementos individualesde una articulacin. Su valor est limitado por laresolucin de captadores de posicin yconvertidores A/D y D/A, por el numero de bits conlos que se realizan las operaciones aritmticas enla CPU y por los elementos motrices, si son

discretos.

La resolucin espacial tambin depende de las inexactitudes mecnicas que seencuentran estrechamente relacionadas con la calidad de componentes que seconforman con las uniones y las articulaciones. Como ejemplos deinexactitudes mecnicas pueden citarse la holgura de los engranes, lastensiones en las polea, las fugas de luidos, etc.

Para explicar con mayor precisin el trmino resolucin espacial tomemos elsiguiente ejemplo: en el dibujo anterior supongamos que utilizando elteachpendant movemos al robot del P1 al P2, en este caso el P2 representa elmenor incremento que se puede mover el robot a partir de P1. Si vemos estosincrementos en un plano se vera como una cuadricula.

En donde en cada interseccin de lneas se encuentra un punto direccionablees decir un punto que puede ser alcanzado por el robot. De esta forma laresolucin espacial puede definirse tambin como la distancia entre dos puntos





adyacentes ( en la primer figura seria la distancia entre los puntos P1 y P2), esimportante sealar que para un robot que tuviera este espacio de trabajo ladistancia entre punto est muy exagerada para efectos de explicar el termino.

b) Exactitud.-se refiere a la capacidad de un robot para situar el extremode su mueca en un punto sealado dentro del volumen de trabajo.

Figura 2.25 ExactitudLa exactitud mantiene una relacin directa con la resolucin espacial, es decir,con la capacidad de control del robot de dividir en incrementos muy pequeosel volumen de trabajo.En el dibujo si quisiramos mover el robot exactamente al punto donde seencuentran la pieza de trabajo, el robot solamente podra acercarse al objetoposicionndose en el punto direccionable ms prximo. En otras palabras, nopodra colocarse exactamente en la posicin requerida.

Un robot presenta una mayor exactitud cuando su brazo opera cerca de labase. A medida que el brazo se aleja de la base, la exactitud se ir haciendomenor. Esto se debe a que las inexactitudes mecnicas se incrementan al serextendido el brazo.

Otro factor que afecta ala exactitud es el peso de la carga, las cargas mspesadas reducen la exactitud (incrementar las inexactitudes mecnicas). El





peso de la carga tambin afecta la velocidad de los movimientos del brazo y laresistencia mecnica.

c) Repetitividad.- radio de la esfera que abarca los puntos alcanzados porel robot tras suficientes movimientos, al ordenarle ir al mismo punto dedestino programado, con condiciones de carga, temperatura, etc,iguales.

Figura 2.26.- Repetitividad

En el dibujo anterior al robot se le enseo el punto programado (PP), alindicarle mediante un comando de programacin que regrese al punto PP elrobot se puede colocar en el punto de regreso (PR) o en otro punto de regresoque tenga la misma distancia PP.

En la figura, esta diferencia entre el punto PP y el PR est muy exagerada, yaque en un robot industrial se espera que la repetitividad este en el orden de +/-0.005mm.No existe la repeticin absolutamente exacta.


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CAPITULO 3.- Diseo mecnico y Clculo de Esfuerzos30

CAPITULO 3.- DISEO MECANICO Y CALCULO DEESFUERZOS


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3.1.- ANLISIS ESTTICOEn este captulo se explican los mtodos bsicos de la esttica al mismotiempo que se determinan las fuerzas en los elementos de una estructurasencilla para efectos de demostrar los esfuerzos de carga que soportar elbrazo robtico.

Para entender el concepto de esfuerzo es necesario repasar los mtodosbsicos de esttica y para esto vamos a considerar la estructura que semuestra en la figura 3.1 diseada para soportar una carga de 30 kN.

Figura 3.1 Muestra Grafica de Concepto de Esfuerzo

El primer paso es dibujar el diagrama de cuerpo libre de la estructura,desprendindola de sus soportes en A y en C, y mostrando las reacciones queestos soportes ejercen sobre la estructura (figura 3.2). En este punto AB y BCson elementos con dos fuerzas.


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Figura 3.2 Diagrama de Cuerpo Libre Desprendiendo A y C

Se proseguir el anlisis suponiendo que las direcciones de las reacciones enA y en C se desconocen. Cada una de estas reacciones, por lo tanto serrepresentada por dos componentes, Ax y Ay en A, y Cx y Cy en C. Seescribirn las tres siguientes ecuaciones de equilibrio:

+Mc= 0: Ax(0.6m) (30kN) (0.8m) = 0Ax= +40kN

+Fx= 0: Ax + Cx =0Cx=-Ax Cx=-40Kn

+Fy=0: Ay + Cy- 30 kN= 0Ay + Cy = +30 Kn

Figura 3.3.Componentes


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Se han encontrado dos de las cuatro incgnitas, pero aun no es posibledeterminar las otras dos de estas ecuaciones, y no pueden obtenerseecuaciones independientes adicionales a partir del diagrama de cuerpo libre dela estructura, ahora se debe segmentar la estructura. Considerando eldiagrama de cuerpo libre del aguiln AB, se escribir la siguiente ecuacin deequilibrio.

Mb=0: -Ay (0.8m)= 0 Ay= 0

Al sustituir Ay de la ecuacin en la ecuacin, se obtiene que C y = + 30 k N.Expresando los resultados obtenidos para las reacciones en Ay C en formavectorial, se tiene que:

A = 40kN-Cx= 40 Kn, Cy= 30 Kn

Estos resultados podran haberse anticipado reconociendo que AB y BC sonelementos con dos fuerzas, es decir, los elementos sometidos a fuerza slo endos puntos, siendo estos puntos A y B para el elemento AB y B y C para elelemento BC. De hecho, para un elemento con dos fuerzas las lneas de accinde las resultantes de las fuerzan actan en cada uno de los puntos son igualesy opuestas y pasan a travs de ambos puntos. Utilizando esta propiedad,podra haberse obtenido una solucin ms sencilla si se considera el diagramade cuerpo libre del perno B. Las fuerzas sobre el perno B son las fuerzas Fab yFbc ejercidas, respectivamente, por los elementos AB y BC, y la carga de 30kN (figura 3.4). Se dice que el perno B esta en equilibrio dibujando el triangulode fuerzas correspondiente (figura 3.4).

b)


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Figura 3.4 Fuerzas Ejercidas en AB y BC

Ya que la fuerza Fbc se dirige a lo largo del elemento BC, su pendiente es lamisma que BC, es decir, 3/4. Por lo tanto, puede escribirse la porcin.

De la que se obtiene:

Las fuerzas FAB y FBC que el perno B ejerce sobre, respectivamente, el aguilnAB y sobre la varilla BC son iguales y opuestas a FAB y FBC (Figura 3.5).

Figura 3.5 Fuerzas Ejercidas sobre la FAB Y FBC

Si se conocen las fuerzas en los extremos de cada uno de los elementos, esposible determinar las fuerzas internas de estos elementos. Al efectuar un corteen algn punto arbitrario, D, en la varilla BC, se obtienen dos porciones, BD yCD (figura 3.6).


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Figura 3.6 Fuerzas Internas de los Elementos

Como deben aplicarse fuerzas de 50 kN en D a ambas proporciones de lavarilla, para mantenerlas en equilibrio, se concluye que una fuerza interna de50 kN se produce en la varilla BC cuando se aplica una carga de 30 kN en B.Se constata, de manera adicional, por las direcciones en las fuerzas FBC yFCB en la figura 3.6, que la varilla se encuentra en tensin. Un procedimientosimilar permitira determinar que la fuerza interna en el aguiln AB es de 40 kNy que el aguiln est en compresin.3.2.- ESFUERZO CORTANTE Y FLEXIONANTE3.2.1.- Esfuerzos en los elementos de una estructura

Figura 3.7 Esfuerzos en una estructura


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La fuerza por unidad rea, o la intensidad de fuerzas distribuidas a travs deuna seccin dada, se llama esfuerzo sobre esa seccin y se representa con laletra griega (sigma). El esfuerzo en un elemento con rea transversal Asometida a una carga axial P se obtiene, por lo tanto, al dividir la magnitud Pde la carga entre el rea A:

Se empleara un signo positivo para indicar un esfuerzo de tensin (el elementoa tensin) y un signo negativo para indicar un esfuerzo comprensivo (elelemento a compresin).

3.2.2.- Anlisis y Diseo

El papel de ingeniero no se restringe al anlisis de estructuras y maquinasexistentes sometidas a condiciones de carga. Un asunto de mayor importanciaque se interesa a los ingenieros es el diseo de estructuras y maquinasnuevas, es decir, la seleccin de los componentes apropiados paradesempear una tarea dada. Como ejemplo el diseo, suponga que seempleara en ella aluminio, el cual tiene un esfuerzo permisible perm= 100Mpa. Debido a que la fuerza en la varilla BC ser P=Fbc 50 Kn bajo la cargadada, se emplea la ecuacin:

perm = P/A A= P/perm = 50*10 3N/ 100* 10 6Pa = 500 * 10-6m2y, ya que A=r2,

r=d= 2r= 25.2mm

Se concluye que una varilla de aluminio de 26 mm, o de dimetro mayor, seradecuada.


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3.3.- ESFUERZO CORTANTE

Figura 3.8 Esfuerzo Cortante

Las fuerzas internas y sus correspondientes esfuerzos estudiados, erannormales a la seccin considerada. Un tipo muy diferente de esfuerzo seobtienu cuando se aplican fuerzas transversales P y P a un elemento AB. Alefectuar un corte en C entre los puntos de aplicacin de dos fuerzas,obtenemos el diagrama de la porcin ACB. SE concluye que deben existirfuerzas internas en el plano de la seccin, y que su resultante es igual a P.Estas fuerzas internas elementales se conocen como fuerzas cortantes y lamagnitud P de su resultante cortante en la seccin. Al dividir el cortante P entreel rea A de la seccin Transversal, se obtiene el esfuerzo cortante promedioen la seccin. Representando el esfuerzo cortante con la letra griega tau, seescribe:

prom= P/A

Debe enfatizarse que el valor obtenido es un valor promedio para el esfuerzocortante sobre toda la seccin. Al contrario del dicho con anterioridad para losesfuerzos normales, en este caso no puede suponerse que a la distribucin delos esfuerzos cortantes a travs de una seccin sea uniforme. el valor real delesfuerzo cortante varia de cero en la superficie del elemento hasta un valormsico Max que puede ser mucho mayor que el valor promedio: pro=P/A.


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Figura 3.9 Vista en corte de una conexin con perno en cortante

Los esfuerzos cortantes se encuentran comnmente en pernos, pasadores yremaches utilizados para conectar diversos elementos estructurales ycomponentes de maquinas Considere dos placas A y B conectadas por unperno Cd Si a las placas se les somete a fuerzas de tensin de magnitud F, sedesarrollan esfuerzos en la seccin de los pernos que corresponde al plano EE.Al dibujar los diagramas del perno y de la porcin localizada por encima delplano EE se concluye que el cortante P en al seccin es igual a F. Se obtieneel esfuerzo cortante promedio en la seccin, de acuerdo con la formuladividiendo el cortante P=F entre el rea A de la seccin transversal:

prom=P/A=F/AEl perno que se ha considerado esta en lo que se conoce como cortantesimple. Sin embargo, pueden surgir diferentes condiciones de carga. Porejemplo, si las placas de empalme Cy D se emplean para conectas las placasAy B el corte tendr lugar en el perno HJ en cada uno de los planos KKYLL(al igual que en el perno EG). Se dice que los pernos estn en corte doble.Para determinar el esfuerzo cortante promedio en cada plano se dibujan losdiagramas de cuerpo libre del perno HJ y de la porcin del perno localizada en


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los planos Observando que el corte P en cada una de las secciones es P=F/2,se concluye que el esfuerzo cortante promedio es:

prom=P/A = F/2/A=F/2A

3.4.- TORSIN

En los dos captulos anteriores se estudio como calcular los esfuerzos y lasdeformaciones en los elementos estructurales sometidos a cargas axiales, esdecir, a fuerzas dirigidas a lo largo del eje del elemento. En este captulo seanalizaran los elementos estructurales y partes de maquinaria que seencuentran en torsin. Ms especficamente, se estudiaran los esfuerzos y lasdeformaciones en elementos de seccin transversal circular sometidos a paresde torsin, o momentos torzones, Ty T. Estos pares tienen una magnitud iguala T y sentidos opuestos. Son cantidades vectoriales que pueden representarsemediante flechas curvas.

Figura 3.10 Torsin


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Los elementos sometidos a torsin se encuentran en muchas situaciones deingeniera. La aplicacin ms comn la representan los ejes de transmisin,que se emplean para transmitir potencia de un punto a otro. Por ejemplo, el ejemostrado se utiliza para transmitir potencia del motor a las ruedas traseras deuna automvil.

Primero se analizarn los esfuerzos y las deformaciones que ocurren en ejescirculares. En la seccin se demostrara una propiedad importante de ejescirculares: cuando un eje circula se somete a torsin, todas las seccionestransversales permanecen planas y distorsin. En otras palabras, mientras quelas diversas secciones transversales a lo largo del eje giran a travs dedistintos ngulos, cada seccin transversal gira como una placa slida, rgida.Esta propiedad permitir determinar la distribucin de los esfuerzos cortantessobre un eje circular y obtener en conclusin que la deformacin a cortantevaria linealmente con la distancia desde el eje hasta la flecha.

Considerando las deformaciones en el rango elstico y utilizando la ley deHooke para el esfuerzo cortante, se determinara la distribucin de esfuerzoscortantes en un eje circular y se deducir las formulas para la torsin elstica.

3.4.1.- Esfuerzos en el rango elsticoHasta el momento ninguna relacin esfuerzo-deformacin en particular se hasupuesto para el anlisis de ejes circulares en torsin. Considere ahora el casoen que el par de torsin T es tal que todos los esfuerzos cortantes en el eje seencuentran por debajo de la resistencia a la cadencia y. Se sabe, que estosignifica que los esfuerzos en el eje permanecern por debajo del lmite deproporcionalidad y tambin por debajo del lmite elstico. Por lo tanto, seaplicara la ley de Hooke no habr deformacin permanente.


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Figura 3.11 Esfuerzos en el rango elstico

Aplicando la Ley de Hooke para el esfuerzo y la deformacin a cortante, seescribe

Donde G es el modulo de rigidez o modulo de corte de material. Multiplicadoambos miembros por G, se escribe:

O utilizando la ecuacin

La ecuacin obtenida muestra que, mientras la resistencia a la cadencia (o ellmite de proporcionalidad) no sea excedida en ninguna parte de una flechacircular, el esfuerzo cortante en la flecha varia linealmente con la distancia odesde el eje de la flecha. La figura muestra la distribucin de esfuerzos en uneje circular de radio.


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La integral en el ltimo miembro representa el momento polar de inercia J de laseccin transversal con respecto a su centro O. Se tiene entonces que

O despejando para max

Sustituyendo max de la ecuacin se expresa el momento cortante a cualquierdistancia p del eje de la flecha como

3.5.- FLEXIN PURA

Figura 3.12 Flexin Pura

Este captulo se dedicara al anlisis de elementos prismticos sometidos apares iguales y opuestos M y M que actan en el mismo plano longitudinal. Sedice que tales elementos estn sujetos a flexin pura. En la mayor parte delcaptulo, se supondra que los elementos poseen un pao de simetra y que lospares M y M actan como dicho plano.

Un ejemplo de flexin pura es, por ejemplo, lo que le ocurre a una barra deuna pesa gimnstica como las que sostienen los levantadores de pesas por


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encima de su cabeza. La barra tiene pesos iguales de las manos del levantadorde pesas. Debido a la simetra del diagrama de cuerpo libre de la barra, lasreacciones en las manos deben ser iguales y opuestas a los pesos. Por lotanto, en lo que se refiere a la porcin central CD de la barra, los pesos y lasreacciones pueden reemplazarse por dos partes iguales y opuestos de 960 lb *in, mostrando que la porcin central de la barra se encuentra en flexin pura. Alrealizar un anlisis similar al eje de un pequeo remolque se vera que, entrelos puntos donde esta unido el remolque, el eje est en flexin pura.

A pesar de lo interesante que pueden ser las aplicaciones directas de la flexinpura, el dedicar un captulo entero a su estudio no estara justificado si no fuerapor el hecho de que los resultados obtenidos, sern utilizados en el anlisis deotros tipos de carga, como las cargas axiales excntricas y las cargastransversales.

El estudio de la flexin pura tambin jugara un papel esencial en el estudio delas vigas, es decir, el estudio de los elementos prismticos sometidos a variostipos de cargas transversales. Considere, por ejemplo, una viga en voladizo ABque soporta una carga concentrada P en un extremo libr. Si se realiza un corteen C a una distancia x de A, se observa del diagrama de cuerpo libre de ACque las fuerzas internas en el corte consisten en una fuerza Pigual y opuesta aP y de un momento M con magnitud M=Px. La distribucin de esfuerzosnormales en la seccin puede obtenerse del par M como si la viga estuviera enflexin pura. Por otra parte, los esfuerzos cortantes en la seccin dependen dela fuerza P.

3.5.1.- Esfuerzos y deformaciones en el rango elstico

A continuacin se estudiara el caso en el que el momento flector M es tal quelos esfuerzos normales en el elemento permanecen por debajo del esfuerzo defluencia y2. Esto implica que, para propsitos prcticos, los esfuerzos en el


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elemento permanecern por debajo del lmite elstico. No habr deformacionespermanentes y podr aplicarse la ley de Hooke para el esfuerzo un axial.Suponiendo que le material es homogneo, y denotado por E al modulo deelasticidad, se tiene que en la direccin longitudinal x

=Recordando la ecuacin y multiplicando ambos miembros por :

o. usando

Donde m es el mximo valor absoluto de esfuerzo. Este resultado muestraque, en el rango elstico, el esfuerzo normal varia linealmente con la distanciaal plano neutro.Recordando que en el caso de flexin para el eje neutro para por el centroidede la seccin, se observa que el l es el momento de inercia, o segundomomento, de la seccin transversal con respecto al eje centroidal perpendicularal plano del par M. Resolviendo para m:

Reemplazando m se obtiene el esfuerzo normal x a cualquyer distancia y deleje neutro:

Las ecuaciones anteriores se le llaman ecuaciones de flexin elstica, y elesfuerzo normal x causado por la flexin del elemento se designa confrecuencia como esfuerzo de flexin. Se verifica que el esfuerzo es decompresin (x0) cuando el momento M espositivo, y de tensin cuando M es negativo.


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Figura 3.13 Esfuerzos en el rango elstico de Flexin Pura

Volviendo a la ecuacin, se nota que la razn l/c depende solo de la geometrade la seccin transversal. Esta relacin se denomina modulo elstico de laseccin y se representa por S.

Modulo elstico de la seccin=Sustituyendo S por l/c en la ecuacin, se escribe esta ecuacin en la formaalternativa:

Como esfuerzo mximo m es inversamente proporcional al modulo elstico S,es claro que las vigas deben disearse con un S tan grande como sea practico.Por ejemplo, en el caso de una viga de madera de seccin rectangular deancho b y altura h, se tiene:


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Donde A es el rea de la seccin transversal de la viga. Esto muestra que, dedos vigas con igual seccin transversal la viga con mayor profundidad h tendrel mayor modulo de seccin, y por tanto, ser ms efectiva para resistir laflexin.

La deformacin del elemento causada por el momento flector M se mide por lacurvatura de la superficie neutra. La curvatura se define como el inverso delradio de curvatura p y puede obtenerse resolviendo la ecuacin entre l/p:

Pero, en el rango elstico, se tiene m=m/. Sustituyendo por m yrecordando

3.6.- SIMULACIN DE ESFUERZOS MEDIANTE MTODO DEL ELEMENTOFINITOPor ltimo es necesario comprobar que la eleccin del material cumpla con eldiseo adecuado del Brazo Robot, para lo cual se eligi el software SiemensPLM NX 7.5 como nuestra herramienta para poder simular los esfuerzos decarga, estrs y de torque para determinar el tipo de servomotor a usar para elBrazo robot. El ambiente sobre el cual se hizo la simulacin es AdvancedSimulation de dicho software.

En la siguiente figura se muestra el elemento del Brazo Robot denominadocomo brazo A1 y que est coloreada en gris, esta misma ser sometido a lasimulacin de esfuerzos de carga y torque. Figura 3.14.


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Figura 3.14. Sub-ensamble del brazo A1 que ser sometido a simulacin de esfuerzos.

En la siguiente figura se puede apreciar las cargas y los esfuerzos de torqueque sern aplicadas a la pieza brazo A1, y as mismo se puede observar queya se le fue asignado el tipo de material y la malla elaborada para lasimulacin. La carga distribuida tiene un valor de 1.32 N y el valor del torqueaplicado es de 0.070608 N.m.

Figura 3.15 Parte brazo A1 en modo de malla y con los esfuerzos aplicados.


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Las siguientes imgenes ilustran el resultado del clculo de esfuerzos medianteel FEM, y que como resultado se puede observar el valor de esfuerzo quepuede soportar la parte brazo A1 para cada tipo de carga, la figura 3.16muestra el resultado del esfuerzo de carga distribuida y la figura 3.17 muestrael resultado del estrs por el torque. La barra de colores a la izquierda muestralos valores mximos y mnimos de esfuerzo y para la simulacin en amboscasos las unidades son MPa.

Figura 3.16 Resultado del clculo de esfuerzo de carga distribuida.

Figura 3.17 Resultado del clculo de esfuerzo de Torque en la parte brazo A1.


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El siguiente es otro ejemplo de una pieza a la cual se le da una cargadistribuida en toda la geometra de 1.32 N, la pieza es una parte del brazo delrobot, el material utilizado para simulacin es PVC. En la siguiente figura sepuede observar las fuerzas de reaccin de la pieza y el estrs que puedesoportar, con el cual podemos comprobar que de acuerdo al diseo, el materialelegido cumple con las caractersticas mecnicas para soportar el esfuerzo decarga distribuida en los casos anteriores y adems puede soportar el esfuerzopor torque de los servomotores.

Figura 3.18 Simulacin de carga y esfuerzo en una pieza del Brazo Robot




CAPITULO 4.Diseo e Implementacin de un Brazo Robot49

CAPITULO 4.- DISEO E IMPLEMENTACIN DE UNBRAZO ROBOT DE 6 GRADOS DE LIBERTAD.





Para la construccin del brazo robot de seis grados de libertad, se hanseleccionado diversos materiales que de acuerdo a su funcin, resistencia yeconoma fueron consideradas los ideales para la realizacin del proyecto sindejar a un lado la calidad y funcionalidad del brazo.

Para lo cual se ha dividido la construccin en dos etapas:

La primera etapa abarca todo lo relacionado a la estructura fsica del brazo,todo lo Mecnico, tomando en cuenta materiales, dimensiones y diseo.

La segunda etapa lo conforman todo lo relacionado a la electrnica, el diseode la etapa de potencia y circuitos electrnicos.

4.1.- CONSTRUCCIN DE PARTE FSICA Y MECNICA DE BRAZO ROBOT

Para la construccin de la parte fsica y mecnica del brazo mecnico robot,hemos seleccionado material acorde a su funcin, de las cuales nos brindendurabilidad, una gran estabilidad y resistencia. A continuacin se muestra la listade materiales utilizados, vase tabla 4.1.

Lista de Materiales para la parte MecnicaMadera de 5mm de espesor Se seleccion este tipo de material

para el diseo de la estructura delbrazo robot, ya que por suspropiedades es fcil de maquinar, y asu vez resistente y rgida con un pesoligero para poder equilibrar todo el pesode los servomotores y a su vez





asegurar los movimientos dinmicosdel brazo robot.

Lmina de aluminio de 2mm deespesor

Este tipo de material fue elegido ya queser la base de los servomotores quefuncionarn como el codo y quesoportarn gran parte del peso de loseslabones del brazo, as como de losobjetos que cargar el brazo. Unapequea parte de ste material sermaquinada para hacer los mecanismosdel elemento final o gripper.

6 Servomotores Batan de 13 Kg.f*cm Este tipo de servomotores cuentan conengranes plsticos de alto troqu yduracin para poder sostener cargas deun peso considerable por lo que fueronelegidos por su precio y caractersticasde troqu.

Tambin se us un torno y fresadora para poder crear piezas mecnicas deexactitud necesitadas en la construccin del robot, as como tambin tornillos 1/8x , tuercas, entre otro tipo de herramientas ms.

Tabla 4.1 Lista de Materiales para la parte mecnica

4.1.1.- Componentes del brazo robot.

El brazo robot cuenta con movimientos de hombro, codo, movimiento de lamueca, rotacin de la mueca y una pinza. Este brazo robtico es controladomediante un controlador tipo Teach pendant la cual consiste en una interfaceentre un microcontrolador PIC, teclado matricial y potencimetros analgicos.Posteriormente en la seccin de construccin de tarjeta de control del robot





explicaremos cada uno de stos componentes, por el momento nos enfocaremosa la definicin y funcionamiento de los servomotores. El brazo incluye cuatroservomotores Batan B1223. La base tambin usa un servomotor Batan B1223.Adems del micro-servomotor HS-56HB el cual es para la pinza.

4.1.2.- Servomotores

Un servomotor es un dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tienela capacidad de ubicarse en cualquier posicin dentro de su rango de operacin, ymantenerse estable en dicha posicin. Est conformado por un motor, una cajareductora y un circuito de control.

4.1.3.- Motor de corriente contina

Es el elemento que le brinda movilidad al servo. Cuando se aplica un voltaje a susdos terminales, este motor gira en un sentido a su velocidad mxima. Si el voltajeaplicado sus dos terminales es inverso, el sentido de giro tambin se invierte.Engranajes reductores, se encargan de convertir gran parte de la velocidad de girodel motor de corriente continua en torque.

4.1.4.- Circuito de control

Este circuito es el encargado del control de la posicin del motor. Recibe lospulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posicin dependiendo de lospulsos recibidos.





4.1.5.- TerminalesLos servomotores tienen 3 terminales:

Terminal positivo: Recibe la alimentacin del motor (4 a 8 voltios)Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios)Entrada de seal: Recibe la seal de control del motor

Los colores del cable de cada terminal varan con cada fabricante: el cable delterminal positivo siempre es rojo; el del terminal negativo puede ser marrn onegro; y el del terminal de entrada de seal suele ser de color blanco, naranja oamarillo. A continuacin en la tabla 4.2.1 podemos ver las diferencias entre coloresde terminales de cada uno de los servos de diferentes compaas.

Colores de Terminales en diferentes compaasFabricante Positivo Negativo Entrada de sealHI-TEC Rojo Negro AmarilloFutaba Rojo Negro Negro BlancoBatan Rojo Marron NaranjaAirtronics Rojo Marron NaranjaFleet Rojo Negro BlancoKraft Rojo Negro Naranja

Tabla 4.2 Diferentes Colores de Terminales

Dependiendo del modelo del servo, la tensin de alimentacin puede estarcomprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar suposicin mediante una seal cuadrada de voltaje. El ngulo de ubicacin del motordepende de la duracin del nivel alto de la seal. Cada servo motor, dependiendode la marca y modelo utilizado, tiene sus propios mrgenes de operacin. En lafigura 4.1.-se aprecia la forma fsica de un servo de la marca Batan.





Figura 4.1 Servomotor Batan B1223.

Para bloquear el servomotor en una posicin, es necesario enviarle continuamenteuna seal con la posicin deseada. De esta forma el servo conservar su posiciny se resistir a fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicin. Si los pulsosno se envan, el servomotor queda liberado, y cualquier fuerza externa puedecambiarlo de posicin fcilmente.

Segn el tiempo en alto de la seal de PWM de control, el servo varia en los 180,como se ve en la imagen siguiente, cada 20 milisegundos (50Hz) recibe un pulsoalto con un determinado tiempo en alto, segn el servo tiene una distintaresolucin de grados por milisegundo, los servos se pueden controlar grado agrado.





Figura 4.2.- Pulso correspondiente para el movimiento de un servomotor.

4.2.- Elaboracin de brazo mecnico.

Paso 1, elaboracin de base del robot

Teniendo el diseo, con dimensiones y especificaciones deseadas, lo primero quese empez a formar, es la base de madera con partes maquinadas en la fresacomo lo son la base en forma de estrella, las piezas rectangulares laterales y labase redonda formando el ensamble completo de la base y sobre el cual girarsobre su propio eje el brazo, por lo que ser nuestro primer grado de libertad ytomar la funcin del codo. Figura 4.3.





Figura 4.3.- Base del Brazo Robot

Teniendo el ensamble primario de la base se procede a colocar la pieza semi-redonda a la cual ir fijada al servomotor para brindarle mayor rigidez y peso, en labase de todo lo que ser el brazo mecnico y de esta manera funcionar comonuestro primer GDL. Figura 4.4.

Figura 4.4 Base giratoria del brazo robot, representando el hombro humano

Posteriormente se prosigue a pegar las partes que forman la base metlica sobrela cual se fijarn los dos servomotores que soportarn todo el peso del brazo robotse ubicar sobre el ensamble principal de la base y formar parte de nuestrosegundo GDL. Figura 4.5





Figura 4.5 Base donde se colocarn dos servomotores

Paso 2, elaboracin del primer eslabn del brazo del robot

Una vez que se montaron las piezas para formar la base, es momento de hacer elensamble para el primer eslabn del brazo el cual llamaremos eslabn A el cualse conecta a los 2 servomotores de nuestro segundo GDL. Figura 4.6.

Figura 4.6 Eslabn A del brazo Robot

Despus de tener listo nuestro ensamble del eslabn A, ste debe ser acopladoa la base metlica en donde se acoplarn el par de servomotores que forman el





segundo GDL. Como resultado tenemos la unin entre el eslabn A y la basemetlica que se puede comprender en la Figura 4.7.

Figura 4.7 Base Metlica donde se acopla el segundo par de servomotores

Paso 3, acoplamiento de la base metlica y el eslabn A con la base giratoria.

Por ltimo es necesario acoplar nuestro ensamble de la base metlica y eleslabn A con la base giratoria que conforma el primer GDL, de sta maneraqueda completa la base sobre la cual gira el brazo robot en dos direcciones, esdecir sobre su propio eje y sobre el plano XZ. Por tanto todos estos sub-ensambles forman lo que en la fisonoma humana es el codo y gracias a ste tipode ensamble contamos con nuestros primeros dos grados de libertad para el brazorobot. Vase Figura 4.8.





Figura 4.8.- Ensamble de la base Metlica y el Eslabn A con la base giratoria

Paso 4, elaboracin del segundo eslabn del brazo del robot.

Es momento de hacer el ensamble para el segundo eslabn del brazo el cualllamaremos eslabn B que ser el que conectar al elemento final o Gripper y elque a su vez estar conectado al eslabn A, Figura 4.9.

Figura 4.9.-Eslabn B del brazo robot.





Paso 5, acoplamiento del eslabn A y el eslabn B.

Una vez que tenemos el ensamble del eslabn B, se procede a incorporarlo aleslabn A mediante el servomotor que formar nuestro tercer GDL. Con esto secrea la estructura formada por los dos eslabones. Figura 4.10.

Figura 4.10.- Acoplamiento del eslabn A y el eslabn BPaso 6, Construccin del ensamble para el soporte del gripper

En el momento en que tenemos lista la base y los eslabones del brazo robot,procedemos a construir el sub ensamble del porta servomotor para que se acoplea nuestro servomotor nmero 5 para de esta manera se forme nuestro cuartogrado de libertad. La manera en que se hace esto, es ensamblando las piezascorrespondientes y pegando servomotor nmero 6 con un poco de resina epxicaal soporte del gripper para que no se despegue tan fcil y al mismo tiempo seacapaz de soportar la carga en las pinzas. Una vez hecho esto tendremos listonuestro quinto GDL. Figura 4.11.





Figura 4.11.- Construccin del ensamble para el soporte del gripper

Paso 7, construccin del sub-ensamble del gripper o actuador final.

Es hora de empezar la construccin de uno de los sub-ensambles con mayorgrado de dificultad debido a que contiene muchas piezas movibles y es necesarioser preciso para evitar malos ajustes, por lo que primero se inserta el microservomotor en el soporte de madera amarilla para despus incorporar las piezasmetlicas con forma de engrane que servirn para transmitir el movimiento delservomotor hacia las pinzas de sujecin y de ste modo formar nuestro elementofinal lineal que al mismo tiempo conoceremos com

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