BRAZO ROBÓTICO

6 GRADOS DE LIBERTAD

IES VICENTE ALEIXANDRE 1º BACH

JUAN FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ VÍCTOR MIRANDA ALCÁNTARA

CARLOS PUMAR JIMÉNEZ

      

ÍNDICE

1. Historia……………………………………………………...2

2. Componentes del brazo robótico…………………....3

3. Tipos de pinzas…………………………………………...5

4. Tipos de motores………………………………………...6

5. Tipos de brazos robóticos……………………………..8

6. Brazos robóticos en las industrias…………………....10

7. Principios de funcionamiento…………………………13

8. Presupuesto………………………………………………..18

9. Bibliografía…………………………………………………19

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1. Historia:

-En 1951 Raymond Goertz diseñó el primer brazo mecánico tele-operado para la Comisión de la Energía Atómica

-En 1954 el estadounidense George Devol que más tarde crea la primera empresa de robótica de la historia llamada Unimation, comienza la construcción de un brazo articulado que realiza una secuencia de movimientos programables por medio de computador; se considera que este “brazo” es el primer robot industrial.

-El robot de la NASA “Vinking II” aterrizado en

Marte en 1976 disponía de un brazo robótico que trituraba las muestras y las pasaba por un tamiz, ubicado en la parte final del mismo, para luego llevar dichas muestras a los compartimentos específicos para los experimentos, debajo de unos embudos situados en el cuerpo principal de la nave

-En 1978 comienza a emplearse el robot PUMA

(Programmable Universal Machine for Assambly) de Unimatión, que es uno de los modelos que más se ha usado, su diseño de “brazo” multiarticulado es la base de la mayoría de los robots actuales.

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2.Componentes del brazo robótico:

El componente principal lo constituye el manipulador, el cual consta de varias articulaciones y sus elementos.

El manipulador

Las partes que conforman el manipulador reciben los nombres de: cuerpo, brazo, muñeca y efector final. Al efector final se le conoce comúnmente como sujetador o gripper

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Además del manipulador, los otros elementos que forman parte del robot son un controlador, mecanismos de entrada y salida de datos y dispositivos especiales. El controlador del robot, como su nombre lo indica, es el que controla cada uno de los movimientos del manipulador y guarda sus posiciones. El controlador recibe y envía señales a otras máquinas-herramientas (por medio de señales de entrada/salida) y almacena programas. Los mecanismos de entrada y salida, más comunes son: teclado, monitor y caja de comandos llamada "teach pendant".

Para mandar instrucciones al controlador y para dar de alta programas de control, comúnmente se utiliza una computadora adicional. Es necesario aclarar que algunos robots únicamente poseen uno de estos componentes. En estos casos, uno de los componentes de entrada y salida permite la realización de todas las funciones.

Las señales de entrada y salida se obtienen mediante tarjetas electrónicas instaladas en el controlador del robot las cuales le permiten tener comunicación con otras máquinas-herramientas. Estas tarjetas se componen de relevadores los cuales mandan señales eléctricas que después son interpretadas en un programa de control. Estas señales nos permiten controlar cuándo debe entrar el robot a cargar una pieza a la máquina, cuando debe empezar a funcionar la máquina o el robot, etc.

El efector final (gripper) es un dispositivo que se une a la muñeca del brazo del robot con la finalidad de activarlo para la realización de una tarea específica. La razón por la que existen distintos tipos de efectores finales es, precisamente, por las funciones que realizan. Los diversos tipos podemos dividirlos en dos grandes categorías: pinzas y herramientas.

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3.Tipos de pinzas:

Las pinzas han sido diseñadas para que el robot cargue y descargue objetos, transporte material y ensamble piezas.

Los dos tipos de pinzas más comunes son:

-Pivotante: Los dedos de la pinza giran en relación con los puntos fijos del pivote. De esta manera, la pinza se abre y se cierra.

-Movimiento lineal: En este caso, los dedos se abren y se cierran ejecutando un movimiento paralelo entre sí.

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4.Motores que podemos utilizar: 4.1 Servomotores que podemos utilizar:

-El servo MG90S es un pequeño servo ligero, con engranajes metálicos y

con alta potencia de salida. Ideal para robots, helicópteros radiocontrol, etc.

El servo puede girar 180 grados (90 grados en cada dirección), y funciona

igual que cualquier servo estándar. Se puede utilizar cualquier código de servo,

hardware o biblioteca para control.

Recomendado para los principiantes, aunque sus prestaciones también

satisfacen las necesidades de los más expertos.

Características:

-Peso: 13,4 g

-Dimensiones: 22.5 x 12 x 35.5

-Torque: 1,8 kg · cm (4.8V)

-Velocidad de funcionamiento: 0.1

s/60 grado

-Tensión de funcionamiento: 5 V

-Anchura de banda muerta: 5 ms

Data sheet:

http://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG90S_Tower-Pro.pdf

El SM-S4303R es un servomotor especialmente

diseñado para la rotación continua es decir, está preparado

para girar 360º. Es la mejor opción para robots printbot o

cualquier otro tipo de robot. Ideal para su uso con Arduino,

Raspberry o cualquier otro microcontrolador.

Características:

-Torque: 3,3 Kg a 4,8V y 4,8 Kg a 6V

-Peso: 60g

-Velocidad 60 RPM a 4,8V y 70 RPM a 6V

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Data sheet: http://www.kosmodrom.com.ua/pdf/SM-S4303R.pdf

-Dentro de los servos económicos el servo MG995 Tower Pro destaca por su gran torque, engranajes metálicos y gran robustez. Funciona con la mayoría de tarjetas electrónicas con microcontroladores y además con la mayoría de los sistemas de radiocontrol comerciales. Es utilizado principalmente en proyectos de robótica y modelismo de mediano tamaño. Características:  -Tipo de Interfaz: Analógica -Dimensions (L x W xH) = 40.6 x 19.8 x 42.9 mm (1.60 x 0.78 x 1.69 pulgadas) -Peso: 55 gramos -Torque a 4.8 volts: 8.9 oz/in (10.00 kg/cm) -Voltaje de operación: 4.0 a 7.2 volts -Velocidad de giro a 4.8 volts: 0.2 sec / 60 º -Conector universal para la mayoría de los receptores de radio control Data sheet: http://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG995_Tower-Pro.pdf

 

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4.2 Motores de corriente continua que podemos utilizar: Características del motor SPRK-ROB-11696:

El motor tiene un rango normal de tensión de funcionamiento de 1,0 a 3.0VDC

pero puede manejar una carga máxima de hasta 12VDC y una velocidad sin

carga de 6600 ± 10% RPM (@ 1,0 V DC, 110mA)

Data sheet http://cdn.sparkfun.com/datasheets/Robotics/M260.pdf

Características del motor BML116853: -Fuerte magnética con anti-interferencias

-Motorreductor doble eje

- Relación de reducción: 1: 48

- Voltaje de funcionamiento: 3V ~ 6v

-Lo descarga de corriente: ≤ 200mA @ 6v, ≤ 150mA @ 3v

-Velocidad se descargue: 200 y plusmn; 10% rpm @ 6v, 90 y plusmn; 10% rpm

3v

4.3 Ventajas y desventajas: Ventajas de usar servomotores: Son más precisos y más baratos para usarlos

en arduino

Desventajas de usar servomotores: Son menos potentes

Ventajas de usar motores de corriente continua: Son más potentes.

Desventajas de usar motores de corriente continua: Son menos precisos y son

más costosos para usarlos en arduino

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5.Tipos de brazos robóticos

Los tipo de robot vienen determinados por el tipo de las 3 primeras articulaciones, según esto pueden ser:

- Cartesiano, cuyo posicionamiento en el espacio se lleva a cabo mediante articulaciones lineales. Son rápidos, muy precisos, de fácil control. Se usan en aplicaciones que requieren movimientos lineales de alta precisión en zonas de trabajo que sean fundamentalmente un plano o planos paralelo.

- Cilíndrico, con una articulación rotacional sobre una base y articulaciones

lineales para el movimiento en altura y en radio.solo se usa para casos en que no haya obstáculos en su zona de trabajo y el acceso a ella se haga horizontalmente.

- Polar, que cuenta con dos articulaciones rotacionales y una lineal.

Usados en la manipulación en máquinas herramientas, soldadura por punto, fundición a presión ,etc

- Esférico (o de brazo articulado), con tres articulaciones rotacionales.

Usados en la manipulación en máquinas herramientas, soldadura por punto, fundición a presión ,etc

- Mixto, que posee varios tipos de articulaciones, combinaciones de las

anteriores. Es destacable la configuración SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) es rápido, barato y preciso, pero solo tiene accesibilidad a zonas de trabajo que estén en planos perpendiculares a su eje vertical. Se emplea fundamentalmente en operaciones de ensamblado o inserción de componentes electrónicos y en otros trabajos similares

- Paralelo, posee brazos con articulaciones prismáticas o rotacionales

concurrentes. Se usa para la plataforma móvil que manipula las cabinas de los simuladores de vuelo.

- Angular o antropomórfico, emplea las coordenadas angulares para

determinar las posiciones de su elemento terminal. Se llama antropomórfico por que simula los movimientos de un brazo humano.

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6.Brazo robóticos en las industrias:

Los brazos robóticos industriales son la forma más efectiva de sustituir mano de obra en procesos repetitivos irregulares, los encontramos hasta con 6 ejes, lo que nos permite cumplir casi con cualquier labor repetitiva hecha por el hombre. Principales funciones • Manejo de materiales: Movimiento de materiales, paletizado, ordenamiento de materiales. • Ensamblaje : Ensamblaje mecánico, ensamblaje electrónico. • Inspección : Inspección de contacto, inspección sin contacto. • Soldado : Soldadura al arco, soldado por puntos. • Corte : Oxicorte, corte por láser . • Acabado : Soplado de aire, soplado de acabados sin aire. • Dispensador de adhesivos y selladores. • Fundición : Preparación del molde, desmoldado, limpieza. • Maquinado. Comunicaciones

Otro importante factor a considerar al implementar sistemas robóticos, es el sistema de comunicaciones con que se cuente.

La función de este sistema es el ingreso de programas, grabarlos y recuperarlos desde un ordenador y el intercambio de información con otros ordenadores o máquinas.

Dentro de los dispositivos de input y output se encuentran el puntero de aprendizaje, teclado, disqueteras, puertas de comunicaciones seriales, paralelas o módems. Mientras más sofisticado sea el sistema, mayor será el requerimiento de estas puertas. Las comunicaciones en el robot se pueden dar a distintos niveles. Los más bajos sólo son útiles si el robot es parte de una celda de automatización aislada del resto del proceso productivo.

En la medida en que se integre el robot a un sistema mayor, se necesitarán comunicaciones más veloces y poderosas. La utilización de estos sistemas, hacen necesario el uso de los Local Area Networks (LAN) para transmitir información. Estas últimas son redes de comunicación de alta velocidad que soportan la interconexión de un mínimo de 100 estaciones a distancias de varios kilómetros. Esta tecnología hace posible el control en tiempo real, la autodetección de errores de transmisión y una alta inmunidad frente al ruido ambiental.

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Cómo seleccionar un Robot Industrial

 •Cantidad de grados de libertad o ejes de movimiento. •Alcance. La máxima distancia que puede alcanzar el robot desde su punto de anclaje. •Peso que puede levantar. •Ángulos de giro de los diferentes ejes. •Velocidad de desplazamiento. Principales distribuidores de brazos robóticos industriales: •Kuka

Corporación internacional centrada en gran medida en la industria de bienes de consumo y en el mercado del automóvil.

-En 1973 KUKA construyó a nivel global el primer

robot industrial de seis ejes accionados

electromecánicamente y conocido como FAMULUS.

-En 2007 el robot "titan" de KUKA es el robot

industrial de 6 ejes más grande y fuerte a nivel mundial.

Supone la entrada en el Libro Guinness de los Récords.

-KUKA construye robots de brazo articulado para cargas desde 3 kg

hasta más de 1000 kg.

•Abb Es líder global en tecnologías electrotécnicas

y de automatización que hace posible que las compañías de servicios públicos y las industrias aumenten su eficiencia, reduciendo su impacto ambiental. Campos de aplicación

-La automatización del embalaje con robots -La automatización con robots para fabricación

metálica -La automatización con robots ABB de la industria de la fundición -La automatización con robots de la industria del plástico

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•Fanuc

FANUC Robotics dispone de los mejores robots industriales, controladores y software, respaldado por un equipo de ingenieros con una amplia experiencia en la industria. Fundada en 1992, y con central europea en Luxemburgo

Los robots FANUC son los más fiables y disponen de una productividad de más del 99,9%

-En 1956 se desarrolla el primer control numérico (CN)

-En 1972 se crea el primer control numérico por computadora (CNC).

-En 2003 FANUC comienza a producir robots inteligentes •Motoman

MOTOMAN ha sido una empresa pionera en el desarrollo de la robótica desde el principio.

En 1994 el primer controlador de

robot del mundo (MRC) capaz de

controlar de forma sincronizada dos

robots.

-En 2007, YASKAWA lanzó al

mercado el robot MOTOMAN SSA2000, el

robot para soldadura por arco más rápido

del mundo.

•Stäubli

Stäubli dispone una gran gama de productos que comprenden robots de 4 y 6 ejes, desde robots pequeños de tipo SCARA hasta grandes robots de 6 ejes, capaces de manipular cargas superiores a 190 kg

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7.Principios de funcionamiento Parametrización Denavit-Hartenberg:

1. Numerar los eslabones: se llamará “0” a la “tierra”, o base fija donde se

ancla el robot. “1” el primer eslabón móvil, etc.

2. Numerar las articulaciones: La “1” será el primer grado de libertad, y “n” el

último.

3. Localizar el eje de cada articulación: Para pares de revolución, será el eje

de giro. Para prismáticos será el eje a lo largo del cual se mueve el eslabón.

4. Ejes Z: Empezamos a colocar los sistemas XYZ. Situamos los en los

ejes de las articulaciones i, con i=1,…,n. Es decir, va sobre el eje de la 1ª

articulación, va sobre el eje del 2º grado de libertad, etc.

5. Sistema de coordenadas 0: Se sitúa el punto origen en cualquier punto a lo

largo de . La orientación de e puede ser arbitraria, siempre que

se respete evidentemente que XYZ sea un sistema dextrógiro.

6. Resto de sistemas: Para el resto de sistemas i=1,…,N-1, colocar el punto

origen en la intersección de con la normal común a y . En caso

de cortarse los dos ejes Z, colocarlo en ese punto de corte. En caso de ser

paralelos, colocarlo en algún punto de la articulación i+1.

7. Ejes X: Cada va en la dirección de la normal común a y , en la

dirección de hacia .

8. Ejes Y: Una vez situados los ejes Z y X, los Y tienen su direcciones

determinadas por la restricción de formar un XYZ dextrógiro.

9. Sistema del extremo del robot: El n-ésimo sistema XYZ se coloca en el

extremo del robot (herramienta), con su eje Z paralelo a y X e Y en

cualquier dirección válida.

10. Ángulos teta: Cada es el ángulo desde hasta girando alrededor

de .

11. Distancias d: Cada es la distancia desde el sistema XYZ i-1 hasta la

intersección de las normales común de hacia , a lo largo de .

12. Distancias a: Cada es la longitud de dicha normal común.

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13. Ángulos alfa: Ángulo que hay que rotar para llegar a , rotando

alrededor de .

14. Matrices individuales: Cada eslabón define una matriz de transformación:

15.

16. Transformación total: La matriz de transformación total que relaciona la

base del robot con su herramienta es la encadenación (multiplicación) de

todas esas matrices:

17.

Dicha matriz T permite resolver completamente el problema de cinemática directo

en robots manipuladores, ya que dando valores concretos a cada uno de los grados

de libertad del robot, obtenemos la posición y orientación 3D de la herramienta en el

extremo del brazo.

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Fórmula Como hallar los ángulos de rotación de un brazo robótico respecto a una distancia previamente calculada: Datos:

-x e y son las articulaciones del brazo robótico. -z es la mano del brazo -h es el pedestal del cual parte la primera articulación. -d es la distancia que hay desde la base del brazo hasta el objeto (calculada gracias al sensor de distancia) Queremos averiguar los ángulos B y β para la primera articulación, ɣpara la segunda articulación y H, D y α para la mano. Primero tenemos que conocer b, sabiendo que el ángulo que forman d y h es de 90º

- b=√(z^2+d^2) Ahora que tenemos b podremos calcular Z y D

- Z = sin^-1 (z/d)

- D = 180-90-Z

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Sabiendo esto podemos calcular el triángulo formado por a, b y h

- A = 90-Z

- a =√(b^2+h^2-2*b*h*cos(A) )

- B = sin^-1 (b*sin(A) /a)

- H = 180-A-B Finalmente podremos hallar los ángulos γ, β y α

- γ = cos^-1 (a^2-x^2-y^2 / -2*x*y)

- β = cos^-1 (y^2-a^2-x^2 / -2*a*x)

- α = cos^-1 (x^2-a^2-y^2 / -2*a*y) -Grados de la 1ª articulación = 270-(β+B) -Grados de la 2ª articulación = 180-ɣ -Grados de la mano = α+H+D

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Cálculo de la distancia en arduino con el sensor de ultrasonidos float tiempo = 0; float d = 0; const int trigPin = 11; const int echoPin = 12; void setup() { pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); } void loop() { digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(5); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); tiempo = pulseIn(echoPin, HIGH); d = (0.01715 * tiempo); }  

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8. Presupuesto

Artículos Nº Artículos Precio por unidad

Comprar Precio Total

Servos 6 3,93 € 0 23,58€

Arduino 1 25,32€ 0 25,32€

Protoboard 1 5,15€ 0 5,15€

Brazo robotico 1 40€ 1 40€

Pack de 40 cables

1 4,95€ 1 4,95€

98,40€

Presupuesto de lo que no tenemos

Artículos Nº Artículos Precio por unidad

Comprar Precio Total

Brazo robotico 1 40€ 1 40€

Pack de 40 cables

1 4,95€ 1 4,95€

44,95€

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9. Bibliografía http://www.etitudela.com/profesores/rpm/rpm/downloads/robotica.pdf Historia http://www.leantec.es/37-motores-y-controladores leantec servo-motor http://platea.pntic.mec.es/vgonzale/cyr_0708/archivos/_15/Tema_5.4.htm tipos de brazos http://www.industriaynegocios.cl/Academicos/AlexanderBorger/Docts%20Docencia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/2004/Rob%C3%B3tica/seminario%202004%20robotica/Seminario_Robotica/Documentos/APLICACI%C3%93N%20DE%20LA%20ROB%C3%93TICA.htm industria http://www.tecnodepunta.com/robots-industriales-brazos-robot-para-pintar-paletizar-soldar-manipular-etc/ robots industriales https://prezi.com/_ckqh1xc-vfi/principales-marcas-de-proveedores-de-robots-industriales/ -marcas de robots industriales http://iearobotics.com/alberto/lib/exe/fetch.php?media=theses:tfg_carlos_rod_zam.pdf -trabajo brazo robotico completo http://iearobotics.com/alberto/lib/exe/fetch.php?media=theses:tfg_carlos_rod_zam.pdf matematicas https://www.arduino.cc/en/Reference/Sin senos y cosenos en arduino asin, acos matemáticas explicadas: http://www.ciencia-explicada.com/2013/02/parametrizacion-denavit-hartenberg-para.html https://www.youtube.com/watch?v=JkzU37g6C_8 https://www.youtube.com/watch?v=JN6D44mhd1M

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https://www.youtube.com/watch?v=mBw6XPRyMpQ http://www.dfrobot.com/wiki/index.php/6_DOF_Robotic_Arm_Assembly_Guide_%28SKU:ROB0036%29 http://articulo.mercadolibre.com.pe/MPE-417538793-brazo-robot-de-6-grados-de-libertad-base-simple-servos-_JM

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