TESINA

REPARACION DE BRAZO ROBOTICO CRS A465 E

INTERFAZ GRAFICA EN LABVIEWY PIC18F4550.

QUE PRESENTA

C. JESUS ANTONIO TIBURCIO MEJIA

EN CUMPLIMIENTO PARCIAL DE LA

ESTADÍA PRÁCTICA DE

INGENIERÍA MECATRÓNICA

ASESOR ACADÉMICO

DR. JOSE VICTOR NUÑEZ NALDA

ORGANISMO RECEPTOR

ING. SAMUEL ANGULO MORENO

Mazatlán, Sin. 11 de Diciembre de 2016

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iii

iv

DEDICATORIAS

A todas aquellas personas que siempre me apoyaron para poder realizar esta

meta, a mi familia y amigos que siempre estuvieron presentes cuando los necesite,

en especial a mi madre Rosario y mi padre Mario que siempre estuvieron conmigo

en todo momento y me ayudaron afrontar los problemas, sin ellos no hubiera logrado

este sueño, les agradezco por su confianza, siempre supieron que seria alguien

importante en la vida a ustedes les dedico este logro.

A mis hermanos, por su apoyo constante en el material didáctico. Les

agradezco por su apoyo constante. A ustedes les dedico este logro.

.

v

AGRADECIMIENTOS

Ante todo le agradezco a mi familia por confiar en mí y me dieron la

oportunidad de continuar mis estudios, siempre estuvieron presentes aunque fue

difícil, les agradezco demasiado por haber logrado esto que también es de ustedes.

A mis compañeros que me apoyaron en todo momento, en especial Marco

Quevedo, Omar Patrón, Carlos Mendoza, Josué Loaiza, Alejandro Salas, Fernando

Fonseca, Jorge Rochin y Miguel Patron, gracias por su apoyo en todo momento y

agradecerles que siempre fuimos unidos y juntos salimos adelante.

A la Universidad Politécnica de Sinaloa por ser el organismo receptor y

brindarnos sus instalaciones para la realización del proyecto, así como al Instituto

Tecnológico de Mazatlán por las facilidades otorgadas. De igual forma agradecer

por sus atenciones a mi asesor el Ing. Samuel Angulo Moreno por tenerme esa

confianza de poder lograr mis objetivos dentro del proyecto y darnos las facilidades

para salir adelante.

vi

RESUMEN

REPARACION DE BRAZO ROBOTICO CRS A465 E INTERFAZ GRAFICA

MENDIANTE VISUAL BASIC Y PIC18F4550

Jesus Antonio Tiburcio Mejía.

Unidad Académica de Ingeniería Mecatrónica

Universidad Politécnica de Sinaloa

Mazatlán, Sinaloa, diciembre 2016

Asesor: Dr. José Víctor Núñez Nalda

En la presente tesina se informará al lector cómo fue posible la reparación de

un brazo robótico CRS A465, y a su vez, el control de este mediante Labview junto

con el PIC18F4550. En primer lugar, se tiene que analizar cuál es la problemática

de este brazo robótico, para de esta forma saber qué soluciones poder brindar sin

complicarse durante el proyecto y conseguir el equipo y material necesario para

cumplir el objetivo principal, el cual es reparar el brazo. Esta información se divide

en 5 partes, siendo la última las conclusiones.

En el primer capítulo se hace descripción del planteamiento del problema del

sistema robótico, en donde se describe en general dicho sistema; en el segundo

apartado se describe el marco teórico, donde se desarrolla la teoría a fundamentar

del proyecto y también la tarjeta de control de este sistema; en el tercer capítulo se

describe todo lo realizado durante este proyecto, desde la identificación de la

problemática hasta la solución, junto con la nueva interfaz para el control de dicho

sistema; para el cuarto capítulo se discutirá y analizara los resultados adquiridos; y

para el quinto capítulo las conclusiones y trabajos a futuros de dicho proyecto.

vii

ÍNDICE

ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………………… ix

ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………………………. x

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………........

2

CAPÍTULO 1: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………..………………… 4

1.1 JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA…………………………………………….. 5

1.2 OBJETIVOS……………………………………………………………………….. 5

1.2.1 Objetivo General………………………………………………………………... 5

1.2.2 Objetivos Específicos………….……………………………………………….. 5

1.3 HIPÓTESIS………………………………………………………………………… 6

1.4 RECURSOS……………………………………………………………………….. 7

CAPÍTULO 2: MARCO

TEÓRICO…………………………………………………...

8

2.1 ROBOTICA………………………………………………………………………… 9

2.2 BRAZOS ROBOTICOS……………………………………………………… 10

2.2.1 TIPOS DE BRAZOS ROBOTICOS………………………………………… 12

2.2.2 APLICACIÓN EN LA VIDA REAL…………………………………… 14

2.3 DESCRIPCION DEL BRAZO ROBOTICO…………………………….. 15

2.4 DESCRIPCION DEL SISTEMA DE CONTROL EXISTENTE………….. 18

CAPÍTULO 3: DESARROLLO DEL PROYECTO ………...

22

3.1 REVISION DE TARJETAS ELECTRONICAS DEL

BRAZO….…………………………………………………………………………….

23

3.2 DISEÑO DE LOS CIRCUITOS EN VISIO………………….. 25

3.3 PRUEBAS CON LOS CIRCUITOS

EXISTENTES…………………………………..

30

3.4 DECISION FINAL PARA SOLUCIONAR EL PROBLEMA……………….. 30

3.5 DISEÑO DE NUEVO SISTEMA DE CONTROL……………………….. 31

3.5.1 ¿PORQUE USAR EL PIC18F4550?.......................................................... 32

3.6 INTERFAZ GRAFICA PARA NUEVO SISTEMA DE CONTROL.

………………………………………………..

33

3.6.1 SIMULACION EN PROTEUS DE ENVIO DE BYTES

………………………………………………………

33

3.6.2 PROGRAMACION EN PIC C PARA ENVIO DE BYTES

…………………………………………………….

34

3.6 .3 PROGRAMACION EN LABVIEW PARA ENVIO DE

BYTES……………………………………………………………………………

35

CAPÍTULO 4: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS……………………

38

4.1 SOBRE LAS TARJETAS …………………………………… 39

4.2 SOBRE LA SOLUCION DEL PROBLEMA………………………………….. 39

4.3 SOBRE LA INTERFAZ GRAFICA…………………………………….. 39

viii

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS…………………….

40

BIBLOGRAFIA…………………………………………………………………………

42

GLOSARIO……………………………………………………………………….. 43

ANEXOS………………………………………………………………,………. 46

ix

ÍNDICE DE FIGURAS.

Figura 2.1 Robot Nao desarrollado por Aldebaran Robotics.…………….. 9

Figura 2.2 Sistema robótico industrial……………………………….. 10

Figura 2.3 Esquema cinemático de un robot cartesiano…….……..…….. 12

Figura 2.4 Esquema cinemático de un brazo SCARA. ……..……… 13

Figura 2.5 Robot articulado KUKA. …..……..……..……..……..…….. 13

Figura 2.6 Brazos robóticos en industria automotriz……………………… 14

Figura 2.7 Brazo robótico CRS A465…………………………………….. 15

Figura 2.8 Brazo robótico CRS A465……………………………………… 15

Figura 2.9 Imagen del brazo original……..……..……..……..………………….. 17

Figura 2.10 Etapa de alimentación controlador C500. ……..……..……. 19

Figura 2.11 Etapa de aislamiento controlador C500.……..……....…….. 20

Figura 2.12 Etapa de control, Unidad C500C.……………………… 21

Figura 2.13 Software exclusivo para programar el A465…….……..…… 21

Figura 3.1 Gabinete de control antes de ser desarmado..……..……..…… 23

Figura 3.2 Gabinete desarmado donde se observan las tarjetas

electrónicas……………………………………………….

24

Figura 3.3 Salida de voltajes del banco de

capacitores……………………………….

25

Figura 3.4 Tarjeta PWM y sus salidas para el control de

motores………………….

26

Figura 3.5 Etapa de alimentación para el

brazo..……..,………………………………

27

Figura 3.6 Entrada hembra del

brazo.………………………………………………….

28

Figura 3.7 Entrada macho del

brazo.…………………………………………………….

29

Figura 3.8 Etapa de alimentación en

funcionamiento...……..……..………………

30

x

Figura 3.9 Diagrama para el diseño del puente

h……………………………………

32

Figura 3.10 Diagrama de pines del Microcontrolador

18F4550………………….

32

Figura 3.11 Simulación para envío de

datos………………………………………..

34

Figura 3.12 Interfaz de programación en Pic

C…………………………………….

35

Figura 3.13 Diagrama de bloques de la

simulación……………………………….

35

Figura 3.14 Panel frontal de la

simulación……………………………………………

36

Figura 3.15 Entrada USB del

microcontrolador…………………………………….

36

Figura 3.16 Circuito de prueba

completo……………………………………………

37

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Ejecución básica y criterios de un robot………………. 11

Tabla 2.2. Caracteristicas del robot CRS A465,…………………… 16

Tabla 2.3. Especificaciones de rendimiento del robot CRS A465… 16

Tabla 2.4. Especificaciones para las juntas del robot…………….. 17

2

INTRODUCCIÓN

Actualmente el Instituto Tecnológico de Mazatlán (ITMAZ) cuenta con una

gran variedad de prototipos didácticos para el aprendizaje del alumno en el área de

mecánica; dentro de estos prototipos se encuentra un brazo robótico CRS A465 de

6 grados de libertad. Esta es una gran herramienta para que los alumnos puedan

tener conocimiento en el manejo y programación de robots. Es decir que el alumno

podrá aprender a posicionar el robot en sus diferentes configuraciones y también

programar algunas tareas simples, por ejemplo, el uso de este robot para transportar

objetos de un lugar a otro, el cual es una actividad muy común dentro de la industria

con estos robots.

A pesar de que se cuenta con esta gran herramienta, el problema que se

tiene es que no funciona correctamente, y esto ha hecho tener a esta herramienta

en años sin uso y delimitando el aprendizaje del estudiante.

Debido al problema que existe con este robot, los alumnos de esta área han

perdido el interés por aprender sobre robótica, ya que la teoría es importante pero

la practica tiene más auge debido a que aquí se aplica la teoría estudiada.

Hoy en día, los robots manipuladores, son factor importante dentro de una

industria ya que estos realizan tareas específicas en los sistemas mecatrónicos. Es

por eso que el uso de los servomotores es muy común en los brazos robotizados

ya que permiten una manipulación precisa de los movimientos del robot, siendo así

parte de las articulaciones de estos.

Es por esto que en el presente proyecto nos enfocaremos en reparar el brazo

en mención para que los alumnos vuelvan a tomar interés en la robótica. Se

3

mencionará las soluciones que se propuso tanto del asesor externo como el del

alumno.

Lo que se pretende analizar es el sistema de control de este brazo, debido a

que el problema existe dentro de este sistema. En segunda instancia, se pretende

dar solución con el material que existe, es decir, no desperdiciar los componentes

con que cuenta este robot.

Otra solución que se propone, es diseñar un nuevo sistema de control, esto

para un futuro remplazo del controlador C500, que es el controlador de estos brazos.

Siendo así que esta segunda opción haría un sistema de control más pequeño a

diferencia del que existe, ya que este robot tiene componentes que hoy en día es

sustituido por uno solo.

Otro de los puntos fuertes para este sistema, es la creación de una nueva

interfaz HMI con el uso de Labview y el pic18F4550. Esto facilitara el uso del brazo

para el alumno, además de que el alumno podrá desarrollar una mejora o un nuevo

programa mediante el uso de este software, ya que gracias a la comunicación que

existe con el microcontrolador en mención, hace posible que el programa de

ejecución y accionamiento del brazo, pueda ser modificado. Esto traerá consigo más

conocimientos para el alumno.

4

5

1.1 JUSTIFICACION DEL PROBLEMA.

El desarrollo de este proyecto es muy importante debido a que es un robot

funcional para el aprendizaje del alumno, lo inconveniente es que no funciona

correctamente debido a una falla electrónica. La ventaja que existe es que puede

reparar. Cabe resaltar que, si se repara este brazo robótico, se podrá utilizar para

enseñar y manipular el funcionamiento de un robot industrial, ya que este prototipo

es un robot didáctico, que se utilizaría para aprender el uso de estos en la industria.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo general.

El objetivo general consiste en dar solución y reparar a la falla electrónica

que existe en el brazo CRS A465 que impide el funcionamiento correcto de este

robot para que el alumno pueda usarlo de manera didáctica para su aprendizaje.

1.2.2 Objetivos específicos.

Investigar y obtener la información del brazo robótico CRS-A465.

Verificar cuales son las tarjetas electrónicas que funcionen y cuáles son

las dañadas.

Reparar las tarjetas dañadas (en caso que tenga alguna solución).

Diseñar las tarjetas dañadas (en caso que no se puedan reparar).

Desarrollar una interfaz entre el dispositivo y usuario.

6

1.3 HIPOTESIS.

En relación al planteamiento de la hipótesis, se considera pertinente

establecer que el brazo robótico es una herramienta que constituye un aprendizaje

significativo para que el alumno obtenga el interés por la robótica y también sepa

cómo funciona un brazo un robótico para aplicación industrial.

Por lo tanto, el planteamiento de la hipótesis es:

El interés por el alumno hacia la robótica es mayor cuando se emplean

estrategias didácticas basado en el uso de tecnologías o robots.

La utilización de este tipo de estrategias permite adquirir más

aprendizajes efectivos que le propicie una mejor capacidad de

interpretación en la industria.

La aplicación de la estrategia tiene un grado de aceptación por los

alumnos buena ya que podrán realizar actividades similares a lo de una

industria, siendo un ejemplo, la transportación de un objeto mediante el

brazo robótico a una banda transportadora.

7

1.6 RECURSOS.

Para el desarrollo del proyecto se requirió de diversos recursos tanto

humano como material. Para el caso material fue necesario el equipo de trabajo

conformado por Marco Quevedo, Marco Zatarain, Omar Patrón y su servidor

Antonio Tiburcio; profesores de tiempo completo, Dr. Víctor Nalda y Dr. Alejandro

Lizárraga; así como el asesor externo Ing. Samuel Angulo y el profesor de

asignatura Ing. Rolando Lizárraga. En relación al recurso material y de equipo, se

contó con:

Informacion diversa del brazo robotico CRS A465 (aunque fue escasa).

Componentes electrónicos.

Software para el desarrollo de interfaz grafica: Labview, Pic C, Mikro C,

Visual basic.

Simuladores de electrónica: Proteus y LiveWire.

Microsoft Office: Word, Excel, Power Point.

Uso de equipo electrónico de medición (multímetros, protoboards,

osciloscopios, etc) para la parte de pruebas.

8

9

2.1 ROBOTICA.

Según El “Robot Institute of America” (RIA), un robot es “un manipulador

reprogramable, multifuncional, diseñado para mover materiales, partes,

herramientas y objetos especiales a través de movimientos programados variables

para el cumplimiento de una variedad de tareas” [SPONG, 1993].

El inicio de la robótica actual puede fijarse en la industria textil del siglo XVIII,

cuando Joseph Jacquard inventa en 1801 una máquina textil programable mediante

tarjetas perforadas. La revolución industrial impulsó el desarrollo de estos agentes

mecánicos, entre los cuales se destacaron el torno mecánico motorizado de Babbitt

(1892) y el mecanismo programable para pintar con spray de Pollard y Roselund

(1939). Además, durante los siglos XVII y XVIII fueron construidos en Europa

ingeniosos muñecos mecánicos que tenían algunas características de robots.

Esencialmente se trataba de robots mecánicos diseñados para un propósito

específico: la diversión. Estas creaciones mecánicas de forma humana deben

considerarse como invenciones aisladas que reflejan el genio de hombres que se

anticiparon a su época.

Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los primeros

robots en la década de 1950. La investigación en inteligencia artificial, por ejemplo.

Actualmente, el concepto de robótica ha evolucionado hacia los sistemas

móviles autónomos, que son aquellos que son capaces de desenvolverse por sí

mismos en entornos desconocidos y parcialmente cambiantes sin necesidad de

supervisión.

Figura 2.1 Robot Nao desarrollado por Aldebaran Robotics.

10

2.2 BRAZOS ROBOTICOS.

Los brazos robóticos son considerados típicos representantes de la

mecatrónica, los cuales integran aspectos de manipulación, sensado, control y

comunicación. Raramente se encuentra una variedad comparable de tecnologías y

disciplinas científicas enfocadas a la funcionalidad y ejecución de un sistema como

en el desarrollo y aplicación de un robot. La robótica integra el estado del arte de

varias tecnologías de punta como se muestra en la figura 1.2.

Figura 2.2 Sistema robótico industrial.

El parámetro con el mayor impacto en la complejidad, costo y apariencia del

robot es su número de ejes independientes, esto es, los grados de libertad. Estos

11

son dados por estructuras predefinidas y trayectorias espaciales que el efector final

del robot debe seguir. La tabla 1.1 muestra los criterios de ejecución y funcionalidad

típicos de un robot.

Tabla 2.1. Ejecución básica y criterios de un robot.

12

2.1.1 Tipos de brazos robóticos.

Los brazos robóticos se pueden dividir en estos diferentes tipos, estos son

los más comunes en la industria:

a) Robot de coordenadas cartesianas.

Es un robot industrial cuyos tres ejes principales de control son lineales (se

mueven en línea recta en lugar de rotar) y forman ángulos rectos unos respecto de

los otros. Además de otras características, esta configuración mecánica simplifica

las ecuaciones en el control de los brazos robóticos. Los robots de coordenadas

cartesianas con el eje horizontal limitado y apoyado en sus extremos se

denominan robots pórtico y normalmente son bastante grandes.

Figura 2.3 Esquema cinemático de un robot cartesiano.

b) Robot SCARA.

Es un robot de cuatro grados de libertad con posicionamiento horizontal. Los

Robots SCARA se conocen por sus rápidos ciclos de trabajo, excelente

repetitividad, gran capacidad de carga y su amplio campo de aplicación.

13

Figura 2.4 Esquema cinemático de un brazo SCARA.

c) Robot articulado.

Un robot articulado es un robot cuyo brazo tiene alguna articulación rotatoria.

Son accionados por distintos medios, como pueden ser motores eléctricos, o

sistemas neumáticos.

Figura 2.5 Robot articulado KUKA.

En el proyecto este nos enfocamos en un sistema articulado por acción de

servomotores DC, ya que es que se nos facilitó para la reparación y optimización de

este.

14

2.1.2 Aplicaciones en la vida real.

La implantación de un robot industrial en un determinado proceso exige un

detallado estudio previo del proceso en cuestión, examinando las ventajas e

inconvenientes que conlleva la introducción del robot. Será preciso siempre estar

dispuesto a admitir cambios en el desarrollo del proceso primitivo (modificaciones

en el diseño de piezas, sustitución de unos sistemas por otros, etc.) que faciliten y

hagan viable la aplicación del robot.

Trabajos en fundición

Soldadura

Aplicación de materiales

Aplicación de sellantes y adhesivos

Alimentación de máquinas

Procesado

Corte

Montaje

Control de calidad

Manipulación en salas blancas

En cuanto al tipo de robot a utilizar, habrá que considerar aspectos de

diversa índole como espacio de trabajo, velocidad de carga, capacidad de control,

coste, etc.

Figura 2.6 Brazos robóticos en industria automotriz.

15

2.3 DESCRIPCION DEL BRAZO ROBOTICO.

En este capítulo pondremos todo lo que sabemos hasta el momento del brazo

robótico (Figura 2.1)

Figura 2.7 Brazo robótico CRS A465

El robot se trata de un industrial pequeño A465, el cual contiene operación de

6 grados de libertad, las articulaciones son servo drive D.C.; además está

conformado por 3 partes como son el brazo robótico articulado, el controlador y el

Teach Pendant o el control de movimientos.

El brazo articulado A465 está constituido de 5 componentes: cadera, hombro, codo,

muñeca, rotador y pinza.

A continuación, se muestra un dibujo grafico del robot manipulador:

Figura 2.8 Brazo robótico CRS A465

16

Para poder reparar el brazo es necesario conocer las especificaciones del robot, a continuación, se muestran algunas tablas con las principales características.

Tabla 2.2 Características del robot CRS A465 Configuración Del brazo robótico

Articulado

6 grados de libertad

Movimiento vertical, invertido y en carril

Drivers Servomotores

Encoders con sensores de proximidad en cada junta

Transmisión Accionamientos armónicos y correas dentadas

Punta de brazo Conector neumático

Pinza

C500C Circuito E-stop integrado

Seguridad del controlador Detección continua de fallos

Tabla 2.3 Especificaciones de rendimiento del robot CRS A465 Carga útil nominal 2 Kg nominal 4.4 lb

Alcance (Sin pinza) 711 mm 28.0 in

Alcance (con pinza) 864 mm 34.0 in

Repetibilidad ± 0.05 mm ± 0.002 in

Peso 31 kg 68.2 lb

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Tabla 2.4 Especificaciones para las juntas del robot Eje Rango de trabajo Máxima Velocidad

J1 (cintura) ± 175° 180°/segundo

J2 (hombro) ± 90° 180°/segundo

J3 (codo) ± 110° 180°/segundo

J4 (rotación de la muñeca) ± 180° 171°/segundo

J5 (Tono de la muñeca) ± 105° 173°/segundo

J6 (rodillo de la muñeca) ± 180° 171°/segundo

En las tablas anteriores, se pueden observar todas las especificaciones del brazo A465.

Figura 2.9 Imagen del brazo original

18

2.4 DESCRIPCION DEL SISTEMA DE CONTROL EXISTENTE.

Generalmente los sistemas robóticos son compuestos de 2 módulos

principales, los cuales son: el manipulador, constituido del mecanismo manipulador,

elementos de actuación y los sensores internos, adaptados en su cuerpo con la

finalidad de proporcionar informaciones relativas al movimiento de los enlaces del

manipulador y el de las fuerzas que se desenvuelven; y el gabinete de control,

donde se concentran los módulos de alimentación y control del robot; en este

módulo, pueden estar también, elementos de interfaz con el usuario, por ejemplo,

para programación del robot. Además, cuenta con varios accesorios que hacen

parte del sistema, como la terminal de programación (“Teaching box”), órganos

terminales (“end effector”) especiales, accesorios de apoyo a la programación del

robot, elementos de censado, entre otros elementos.

El controlador C500 del brazo robótico CRS A465 consta de 3 partes o

etapas: etapa de transformación, etapa de potencia y la etapa de control.

La etapa de transformación, es la encargada de producir el voltaje y

amperaje necesario para el funcionamiento del robot, de sus motores y de las

siguientes etapas, en esta sección del controlador se realiza la transformación y

acoplamiento de voltaje proveniente de la alimentación trifásica.

Se trata de una fuente de alimentación lineal, conformada por el esquema básico

de este tipo de dispositivos; transformador, rectificador, filtro, regulación y salida

como se puede apreciar en la figura 2.11.

En una ubicación lateral a la fuente encontramos las tarjetas de potencia

para los motores, estas tarjetas son dos para los cuatro servos motores, son las

encargadas de brindar los requerimientos energéticos a los motores y básicamente

se trata de circuitos de alimentación conmutada, es decir trabaja con transistores

en conmutación para obtener los requerimientos de energía de los motores.

19

Figura 2.10 Etapa de alimentación controlador C500

La segunda etapa es la de potencia, es la encargada del aislamiento y

acoplamiento entre la sección de alimentación y la etapa de control, básicamente

su función es brindar un acoplamiento entre etapas por medio de opto acopladores.

También brinda la seguridad necesaria para la correcta operación de la tarjeta de

control, ya que protege a esta de posibles cortos circuitos. Cabe señalar también

que en esta tarjeta se tienes circuitos integrados que realizan diversas funciones

como la ya mencionada.

En la segunda etapa también se realiza el aislamiento, encardado de

brindar acoplación entre las etapas especialmente con la etapa de control que es

susceptible a corrientes parasitas que pueden impedir el adecuado funcionamiento

del circuito de control, así como sobre voltajes o sobre corrientes que pueden

dañar dispositivos tan delicados como los procesadores.

El aislamiento es realizado básicamente por una serie de opto acopladores

o acopladores ópticos como se los puede apreciar en la siguiente foto (circuitos

integrados de color blanco). Estos son los encargados de acoplar las cargas de la

etapa de potencia/transformación como la etapa de control.

20

En esta sección también se encuentran relés entre otros dispositivos, que

también sirven para el acoplamiento entre circuitos de cada etapa, además de

brindar un cierto grado de protección ante eventuales sobrecargas del sistema de

alimentación.

Figura 2.11 Etapa de aislamiento controlador C500

La tercera y última etapa es la de control, en esta etapa podemos encontrar

todo lo concerniente al procesamiento que realiza el robot, el análisis de toda la

información, como de los comandos de movimiento enviados desde el computador

conectado por medio de las interfaces o enviados por medio del teach pendant.

Dentro de los dispositivos que se cuenta en este apartado, para realizar su función

que en definitiva es la de ser el cerebro de todo el sistema, contamos con circuitos

integrados que realizan la labor de intercomunicación tanto entre las etapas como

de interfaz con el exterior por medio de los diferentes protocolos existentes en el

controlador C500, el más usado es el serial. También se tienen microcontroladores

que procesan parte de la información que ingresa por medio del puerto serial, la

función principal de los micro controladores es la de contadores de pulsos

provenientes de los encoders del robot, por otra parte, tenemos el

microprocesador que realiza la tarea más pesada del sistema o el procesamiento

numérico de la información concerniente al posicionamiento del brazo robótico.

21

Figura 2.12 Etapa de control, Unidad C500C.

Estas son las etapas con que cuenta el robot manipulador, el software para

programar los movimientos es Ralp-3, que realmente no nos interesa porque el

sistema no funciona, por lo cual solo es mencionado en caso que se interese

buscar sobre este software.

Figura 2.13 Software exclusivo para programar el A465

22

23

En el siguiente capítulo se explicará todo el proceso que se llevó durante el

desarrollo del proyecto; en donde se empezó por revisar las tarjetas de los circuitos

existentes con el fin de aprovechar el material que sirva. Además, los diagramas

que se realizaron en Microsoft Visio son los que después de revisarse, resultaron

sin daño alguno, también se realizaron pruebas con lo que se pudo rescatar.

Aclaro que, si se desea consultar más a fondo sobre la electrónica de este

sistema, consulte la tesina de Marco Antonio Quevedo Hernández de ing.

Mecatrónica, ya que se explica toda la circuitería.

En este, nos centraremos en la interfaz gráfica que se realizó para el nuevo

sistema de control, gracias al PIC18F4550 y Labview.

3.1 REVISION DE TARJETAS ELECTRONICAS.

Aproximadamente el tiempo para esta etapa fue de 1 mes, fue dentro del

taller de robótica de la UPSIN junto con el Dr. Víctor Nalda.

El principal objetivo que se tenía era verificar todo el sistema electrónico del

control, ya que suponíamos que la falla estaba ahí. Se empezó por desarmar el

gabinete de control.

Figura 3.1 Gabinete de control antes de ser desarmado.

24

Después de llevar acabo el desarmado, empezamos a revisar tarjeta por

tarjeta. En la etapa de alimentación no se encontró ningún problema, el

transformador toroide, el arrancador suave, el porta fusibles y el rectificador de señal

estaban en perfectas condiciones, por lo que este material se rescató para seguir

usando en el transcurso de proyecto.

En la etapa de aislamiento, la tarjeta no mostraba ningún problema. Los opto

acopladores estaban en buena condición.

El problema surgió en la etapa de control, las tarjetas de PWM y fuente de

conmutación, que son para los motores, no mostraban ningún desperfecto. El

problema que encontramos fue en la tarjeta controlador C500C ya que estaba

sulfatada en donde se encontraban los FPGA y se concluyó que debido a esto no

funcionaba el robot. Por lo cual se intentó limpiar con alcohol isopropílico, pero ni

así se logró el funcionamiento correcto ya que seguía con el mismo error. Por lo

tanto, se optó por la segunda propuesta que es la de diseño de un nuevo sistema

de control.

Figura 3.2 Gabinete desarmado donde se observan las tarjetas electrónicas.

25

3.2 DISEÑO DE LOS CIRCUITOS EN VISIO.

En esta etapa se llevó la realización de los circuitos que se lograron

rescatar para poder tener estos de referencia ya que durante la búsqueda de

información sobre el brazo no encontramos mucha. Por eso se descifraron los

comportamientos de los circuitos para poder hacer los diagramas. Además,

interpretamos los pines de entrada, tanto macho y hembra del brazo, para saber

dónde conectar alimentación de voltaje para los motores y optcoders a la hora de

hacer pruebas.

Si se desea saber cómo fueron realizados estos circuitos, consulte la tesina

de Omar Patrón Ponce de León.

Figura 3.3 Salida de voltajes del banco de capacitores.

26

Figura 3.4 Tarjeta PWM y sus salidas para el control de motores.

27

Figura 3.5 Etapa de alimentación para el brazo.

28

Figura 3.6 Entrada hembra del brazo.

29

Figura 3.7 Entrada macho del brazo.

Estos diagramas fueron descifrados ya que no se encontró ninguna

información de ayuda.

30

3.3 PRUEBAS CON LOS CIRCUITOS EXISTENTES.

Para esta etapa, las pruebas fueron realizadas con la fuente que tenemos,

gracias a esto pudimos realizar movimientos de los motores y probar que nuestra

teoría era verdadera.

Figura 3.8 Etapa de alimentación en funcionamiento.

3.4 DECISION FINAL PARA SOLUCIONAR EL PROBLEMA.

La decisión que se tomó para seguir con el desarrollo del proyecto fue

desarrollar un nuevo sistema de control, debido a que después de hacer tantas

pruebas, no se pudo hacer funcionar la tarjeta PWM (esta acciona los 3 principales

motores), esto porque la unidad C500C mandaba 2 señales que accionaban 2

relevadores para que la tarjeta comenzara a funcionar.

31

Para este nuevo diseño, el programa Rapl-3 quedara obsoleto porque este

software es exclusivamente para la unidad C500C. Por lo tanto, se decidió hacer

una nueva interfaz gráfica que permita al usuario el control del brazo.

El diseño del circuito de los puentes H se muestra en el siguiente tema y el

desarrollo de la interfaz en otro tema.

3.5 DISEÑO DE NUEVO SISTEMA DE CONTROL.

Para este nuevo sistema, se decidió realizar el puente H que se muestra en

la figura 3.9. Anteriormente ya hemos trabajado con este circuito en un robot

limpia playas y optamos por el uso de este porque los mosfets que se usan fueron

ideales para el diseño principalmente por la corriente que soportan, pero con la

desventaja de que se tienen que controlar aspectos muy importantes al momento

de que se activan, el cual es la temperatura. Como sabemos los semiconductores

sufren mucho por los cambios de temperatura y esto conlleva a un mal

funcionamiento del componente inclusive, en el peor de los casos, quemarse; la

temperatura no se puede controlar, pero si se puede reducir mediante disipadores

de calor y una buena ventilación. Estos ayudan a que el transistor no se caliente

demasiado y funcione bien por un largo periodo de tiempo.

Una de las principales desventajas de un transistor en comparación con un

Mosfet es que el transistor no es igual de rápido que un Mosfet en cuestiones de

activación de control por PWM tomando en cuenta la velocidad de conmutación ya

que la frecuencia de PWM es muy rápida y los Ton/Toff son muy distintos, siendo

el Mosfet la mejor opción por cuestiones de velocidad de conmutación en su

compuerta (gate). Ademas que los motores son DC y esto facilita el control.

32

Figura 3.9 Diagrama para el diseño del puente h.

3.5.1 ¿Por qué usar el PIC18F4550?

El principal motivo para usar este PIC es por la ventaja que nos ofrece su

conexión directa vía USB con la computadora con una interfaz HID; además

cuenta con dos módulos CCP que nos ofrecen la modulación por ancho de pulso

PWM. Estas son las principales virtudes por lo que elegimos este

microcontrolador. En la figura 3.10 se puede ver la gran disposición de terminales

que nos ofrece.

Figura 3.10 Diagrama de pines del Microcontrolador 18F4550.

33

3.6 INTERFAZ GRAFICA PARA NUEVO SISTEMA DE

CONTROL.

A continuación, se mencionará el proceso para poder realizar la interfaz que

controlara al brazo. Si usted desea realizar las simulaciones que se presentan, es

necesario que cuente con los siguientes softwares: Labview, Pic C y Proteus.

Además de descargar los complementos de Virtual USB para proteus para que

detecte una USB virtual a la hora de realizar la simulación, y la versión 5.1 de NI

VISA para labview, esto para la comunicación con el PIC.

Se decidió realizarlo de esta forma para que el usuario pueda desarrollar sus

propios programas para controlar el brazo, esto gracias a que la conexión USB del

microcontrolador lo hace funcionar como si fuese un arduino.

3.6.1 Simulación en proteus de envío de bytes.

En la figura 3.11 se podrá observar el diagrama realizado en proteus.

Aquí se puede explicar de manera breve el funcionamiento, ya que todo depende

de la programación que se asigne al microcontrolador. Podemos observar la figura

de una terminal USB en los pines 23 y 24 del PIC ya que estos son

exclusivamente para esta conexión. Además, hay 2 leds, uno rojo y verde; el rojo

nos indicara que el puerto USB está en espera de reconocimiento de la

computadora y el verde encenderá cuando este sea detectado por la máquina.

También, hay un potenciómetro, esto para verificar que los datos se están

enviando a la simulación de labview. Los demás componentes son necesarios

para el correcto funcionamiento del PIC.

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Figura 3.11 Simulación para envío de datos.

3.6.2 Programación en Pic C para envío de bytes.

Esta parte explica en general la función del código. Es necesario empezar

un nuevo proyecto dentro de Pic C e incluir las librerías necesarias para una

programación correcta; por eso declaramos la librería para el PIC 18F4550, así

como las librerías para la conexión vía USB. El tamaño de datos es de 8 bytes. Se

definen los puertos para los leds y el potenciómetro. Si usted quiere conocer más

acerca de la programación del pic, puede verificar el código que se incluye en los

anexos.

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Figura 3.12 Interfaz de programación en Pic C

3.6.3 Programación en Labview para envío de bytes.

En esta parte lo que hace la simulación de labview es recibir los datos del

pic, es decir, lee los bytes para después escribirlos y mostrarlos de una forma

gráfica en su panel frontal. Se encuentra un interruptor el cual encenderá un led

para la simulación en proteus y una gráfica que será manipulada por el

potenciómetro, verificando que los datos se están recibiendo.

Figura 3.13 Diagrama de bloques de la simulación.

36

Figura 3.14 Panel frontal de la simulación.

A continuación, se muestra el circuito hecho para las pruebas en

protoboard, y en el capítulo 4 y 5 podrá saber si lo leído anteriormente ha cumplido

el objetivo.

Además, en los anexos encontrara imágenes de la simulación en

funcionamiento.

Figura 3.15 Entrada USB del microcontrolador.

37

Figura 3.16 Circuito de prueba completo.

38

39

4.1 SOBRE LAS TARJETAS.

Para las tarjetas, no es necesario mencionar que realmente no funcionaron

por la unidad C500C, que es el cerebro del robot, por eso que solo se intentó

rescatar las demás, siendo un fracaso debido a que todo se controlaba por esta

unidad. Lo único que se rescato fue la fuente de alimentación, que fue una gran

ventaja para evitarnos realizar un sistema de potencia para este brazo.

4.2 SOBRE LA SOLUCION DEL PROBLEMA.

Después de un debatido análisis y un sinfín de pruebas, pudimos aclarar

que un nuevo sistema de control era necesario; si se podía intentar reparar o

incluso hacer la unidad C500C, pero que desventaja tenia; que la mayoría de los

componentes con los que cuenta esta unidad son prácticamente viejos ya que el

brazo tiene una antigüedad aproximadamente de 20 años. Por lo que un nuevo

sistema sustituiría el tamaño de la tarjeta grande por uno más pequeño, y así usar

un menor número de componentes. Esto fue la mejor decisión.

4.3 SOBRE LA INTERFAZ GRAFICA.

Como ya se mencionó anteriormente, el robot cuenta con su propio

software (RAPL-3) para el control y manipulación de este. Es por eso que, si

desarrollamos nuestro propio sistema, este software seria inservible. Por eso

optamos por realizarlo con labview, ya que es compatible con el microcontrolador

en uso.

40

41

Este proyecto fue un gran reto debido a lo ya mencionado; nuestra idea era

empezar desde 0 para entender todo el diseño electrónico que les llevo hacer a

los ingenieros encargados de la realización de este brazo. En especial me intereso

esto, porque hoy en día la tecnología incrementa exponencialmente, pero antes

era más escasa la información que se podía adquirir. Por eso mi interés en pensar

y saber, ¿Cómo es el ser humano capaz de realizar cosas que parecen ciencia

ficción? Esta fue la pregunta que me motivo a realizar y concluir el proyecto.

Cabe resaltar que el equipo de trabajo fue ideal porque nos dividimos el

trabajo, siendo yo el encargado de la interfaz. Además, la comunicación que se

tenía era muy buena ya que habíamos trabajado anteriormente como equipo.

El trato del asesor interno y externo fue excepcional ya que siempre se

contó con su apoyo en todo momento. Todos los mencionados en esta tesina

fueron pieza fundamental para este proyecto.

Por ultimo me queda decir que el brazo funciona como lo esperábamos y se

espera que a trabajos futuros se puedan incluir movimientos inalámbricos

mediante el movimiento de un individuo o el control mediante direcciones ip, que

estas ideas se le han dado al O.R. para que en otro proceso de estadía se puedan

implementar.

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BIBLIOGRAFIA

Luis Reyes Ávila. Sobre la parametrización de las rotaciones y reflexiones de

multicuerpos rígidos en el plano: Modelación cinemática de un robot de dos grados

de libertad. Reporte interno de investigación, UNAM, (ISBN 968-36-9841-7), 2002.

Robert E. Parkin. Applied robotic analysis. Industrial robot series. Pretince-Hall, 1st.

Edition, 1991. ISBN 0-13-773391-7.

Mario Márquez M. Modelado cinemática y dinámico de robots utilizando

quaterniones. Doctorado en ingeniería, Universidad Anáhuac del Sur, 2000.

George P. Richardson & Alexander L. Pugh III. Introduction to system dynamics

modeling. System dynamics series. Pegasus, 1st. Edition, 1999. ISBN 1-883823-43-

9.

William R. Derrick. Variable compleja con aplicaciones. Grupo editorial

iberoamericana, 2d. Edition, 1987. ISBN 0-534-02853-5.

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GLOSARIO

Capacitores: Un condensador eléctrico es un dispositivo pasivo, utilizado en

electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo

eléctrico.

Diodos: Es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación

de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido.

Fusibles: Es dispositivo utilizado para proteger dispositivos eléctricos y

electrónicos. Este dispositivo permite el paso de la corriente mientras ésta no supere

un valor establecido.

Microcontrolador: Es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las

órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales,

los cuales cumplen una tarea específica.

Microprocesador: Es el circuito integrado central más complejo de un sistema

informático; a modo de ilustración, se le suele llamar por analogía el «cerebro» de

un computador.

Mosfets: Transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor es

un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el

transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos

analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular

en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales

están basados en transistores MOSFET.

Motor de DC: Es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica,

provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción que se genera del campo

magnético. Se compone principalmente de dos partes el estator y el rotor

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Optcoder (encoder): También conocido como codificador o decodificador en

Español, es un dispositivo, circuito, programa de software, un algoritmo o incluso

hasta una persona cuyo objetivo es convertir información de un formato a otro con

el propósito de estandarización, velocidad, confidencialidad, seguridad o incluso

para comprimir archivos.

Optoacopladores: También llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente,

es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor activado

mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un componente

optoelectrónico, normalmente en forma de fototransistor o fototriac.

Relays: Es un dispositivo electromagnético. Funciona como un interruptor

controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y

un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o

cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

Relevador de estado sólido: Utilizan semiconductores de potencia como tiristores

y transistores para conmutar corrientes hasta más de 100 amperios. Los relés SSR

pueden conmutar a muy altas velocidades (del orden de milisegundos) en

comparación a los electromecánicos, y no tienen contactos mecánicos que se

desgasten.

Resistencias: Reducción que tienen los electrones al moverse a través de un

conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se

representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán Georg Simon

Ohm.

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Transformador: es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un

cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el

fenómeno de la inducción electromagnética.

Transistores: es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar

una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de

amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.

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ANEXOS

Codigo en Pic C para el microcontrolador.

#include <18F4550.h>

#fuses

HSPLL,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,NODEBUG,USBDIV,PLL5,CPUDIV1,VREGEN

#use delay(clock=48M)

#DEFINE USB_HID_DEVICE TRUE

#define USB_EP1_TX_ENABLE USB_ENABLE_INTERRUPT //turn on EP1

for IN bulk/interrupt transfers

#define USB_EP1_TX_SIZE 8

#define USB_EP1_RX_ENABLE USB_ENABLE_INTERRUPT //turn on EP1

for OUT bulk/interrupt transfers

#define USB_EP1_RX_SIZE 8

#include <pic18_usb.h>//Funciones de bajo nivel(hardware) para la

serie PIC 18Fxx5x que serviran en usb.c

#include <usb_desc_hid.h>//Aqui es donde van las descripciones de

este dispositivo (como lo reconocera windows)

#include <usb.c> //libreria para el manejo del usb

#define LEDR PIN_C0 //Led rojo para la espera de la conexion USB

#define LEDV PIN_C1 //Led verde, se enciende cuando el USB esta

conectado

#define LED_ON output_low

#define LED_OFF output_high

int8 Salida[8];

int8 Entrada[8];

void main() {

setup_adc_ports(AN0);

setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);

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set_adc_channel(0);

set_tris_b(0x00);

output_b(0x00);

LED_ON(LEDR);

LED_OFF(LEDV);

usb_init();

usb_task(); //Monitorea el estado de la coneccion

conectandose y desconectandose automaticamente

usb_wait_for_enumeration(); //espera infinitamente hasta que

el dispositivo fue enumerado

LED_ON(LEDV);

LED_OFF(LEDR);

while (TRUE)

{

usb_task();

if (usb_enumerated())

{

Salida[0]=read_adc();

usb_put_packet(1, Salida, 1, USB_DTS_TOGGLE);

if (usb_kbhit(1))

{

usb_get_packet(1, Entrada, 1);

if (Entrada[0]==1)

{

LED_ON(PIN_B0);

}

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else

LED_OFF(PIN_B0);

}

}

}

}

Interfaz en funcionamiento.

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