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Universidad de las Fuerzas Armadas ESPEDepartamento de Elctrica y ElectrnicaSangolqu Ecuador vero_ks07@hotmail.com1, jorgeandres6@msn.com2, sebasp0429@hotmail.com3, felipekb92@gmail.com4[footnoteRef:1] [1: ]

Robot antropomrfico de 3 grados de libertad clasificador de objetos por colores usando Arduino y LabviewVernica Casaliglla1, Jorge Maldonado2, Sebastin Prez3 y Felipe Veintimilla4 AbstractEl hecho de clasificar objetos ha sido desde la antigedad una tarea netamente delegada a un ser humano, sin embargo con el avance de la tecnologa se ha logrado entregar este cargo a mquinas. El objetivo de este artculo es describir el proceso de desarrollo de un robot de 3 grados de libertad el cual clasifica objetos de acuerdo al color que tienen, en la industria este proceso es ampliamente usado, etiquetar productos para despus clasificarlos de acuerdo a dicha etiqueta y posteriormente entregarlos a su destino final en orden. El robot consta de una cmara para la deteccin y anlisis del color y un giroscpio para el posicionamiento en los respectivos sitios predestinados.

Index TermsArduino, clasificacin de objetos por colores, labview, robot.INTRODUCTIONEn la actualidad se utilizan robots en muchos procesos, ms an en la industria, gracias a las prestaciones que estos brindan. los robots pueden realizar una serie de actividades predeterminadas con el fin de mejorar un proceso ya sea en tiempo, precisin y dems mbitos que elevarn la produccin.Arduino es una placa de desarrollo creada por la empresa que lleva el mismo nombre y basada en software libre. Su facilidad de programacin, gran gama de libreras, tamao reducido y bajo costo han hecho de sta una solucin muy utilizada por programadores que se desenvuelven en diferentes mbitos. Arduino contiene una librera especializada para el control de servomotores, los cuales son parte de la morfologa del robot que se presenta en este artculo. LabView es un entorno de desarrollo desarrollado por la compaa National Instruments, ste programa es usado por muchos programadores gracias a su amigable entorno de programacin grfica, sus poderosas herramientas y su versatilidad a la hora de integrar diferentes dispositivos, entre los cuales encontramos a las placas de desarrollo arduino.Descripcin del proyectoEn el presente proyecto se va a utilizar como hadware un robot antropomrfico de tres grados de libertad, una placa arduino, una cmara web y un giroscopio, y como software el controlador de arduino y labview. El proceso de clasificacin por color ser controlado desde una HMI realizada en labview en la cual llegaran las diferentes seales enviadas tanto por la cmara web para la deteccin de color y presencia; y por el giroscopio para el control de la posicin, esto se procesara en labview quien enviara las diferentes instrucciones a arduino para ejecutar los diferentes movimientos en los servomotores de las articulares de robot y realizar el proceso. A. Caractersticas del robot antropomrficoEl brazo robtico utilizado es del fabricante SainSmart, este cuenta con 3 servomotores MG995 en la parte inferior que son los encargados de mover las articulaciones del robot y 1 servomotor SG90 9G en la parte del gripper. Las dimensiones del mismo son una altura de 25 cm por un ancho de 21 cm.

Figura 1 Robot paletizado SainSmart

B. Caractersticas de la placa Arduino

Arduino es una placa de desarrollo muy utilizada en la actualidad para la interaccin entre el mundo real y el mundo digital. La placa arduino utilizada para controlar los diferentes servos de las articulaciones es un Arduino Mega que cuenta con un voltaje de operacin de 5V, y su voltaje mximo de entrada es de 20V, este cuenta con 54 pines de entrada y 16 pines de salida

Figura 2 Arduino Mega

C. Caractersticas del entorno de desarrollo LabView

LabVIEW es un entorno de desarrollo creado por la compaa National Instruments con la idea de acelerar la produccin de ingenieros y cientficos. Gracias a su programacin grfica de fcil manejo, amplia gama de libreras y fcil integracin con dispositivos modulares ha hecho de sta herramienta un cono a la hora de generar sistemas de ingeniera.

Figura 3 LabVIEW

D. Caractersticas de los sensores usadosa. Acelerometro Giroscopio de 3 ejes (MPU-6050-V4)

El control del servomotor ubicado en la base del robot se lo har con este giroscopio que es un dispositivo con gran exactitud que posee un giroscopio de 3 ejes y un acelermetro (MPU6050-V4) de 3 ejes en la misma matriz de silicio junto con un procesador digital de movimiento, capaz de procesar algoritmos de la funcin de movimientos complejos.

Figura 4 Acelermetro Giroscopio de 3 ejes

b. Cmara webLa deteccin de presencia de un objeto y la identificacin de color se realizar con una cmara web x5Tech

Figura 5 Cmara web

E. Descripcin de la zona de trabajoLa zona de trabajo en la que se va a realizar el proceso tiene por dimensiones 50 cm de largo y 60 de ancho, en la misma se encuentran tres contenedores con dimensiones 13x13, como se observa en la figura 6 el sector 1 es donde se van a ubicar los recipientes de color rojo teniendo una separacin de 15cm desde la ubicacin del robot; el sector 2 es donde se van a ubicar los recipientes de color azul, de igual manera se encuentra con una separacin de 15cm del robot; el sector 3 es donde se van a ubicar recipientes de color verde, se encuentra con una separacin de 23cm del robot. En el despachador se encuentran los recipientes a ser colocados en los diferentes contenedores, este se encuentre a una distancia de 18 cm del robot y 18 cm de la cmara web.

Figura 6 Zona de trabajo

F. Proceso

El proceso de clasificacin que se utiliz para el robot comienza en una posicin inicial hasta que se presione START a un botn provisto en la HMI realizada en labview y posteriormente se mueve el brazo robtico hasta que el end effector se encuentre en la posicin de agarre del objeto. Una vez ubicado el brazo robtico la cmara detecta la presencia del objeto y realiza el anlisis de una zona de pixeles determinada en donde se encuentra la etiqueta del color. Cuando la imagen ha sido capturada se activa el electroimn para agarrar el objeto y transportarlo. En base al anlisis de color se mueve el robot a los espacios previamente delimitados para la colocacin en base a los colores verde, azul, rojo. Una vez completado el proceso ste comienza de nuevo siguiendo todos los pasos anteriormente descritos.

Figura 7 Diagrama de flujo-ProcesoG. Deteccin y anlisis de color

El proceso de captura y anlisis del color de la etiqueta del objeto inicia capturando la imagen de tamao 360x180 pixeles del objeto a analizar, posteriormente se obtiene la saturacin de rojo, verde y azul de cada uno de los pixeles dentro del rea rectangular comprendida entre los vrtices con coordenadas (en pixeles): Vrtice 1 = (150,70) Vrtice 2 = (170,70) Vrtice 3 = (150,90) Vrtice 4 = (170,90)Con cada pixel que se analiza, dependiendo el color que contenga un mayor porcentaje de saturacin, se sumar 1 a la variable ROJO, AZUL o VERDE segn corresponda. Al final la variable que contenga el nmero ms grande ser la que determinar el color de la etiqueta del objeto y enviar el dato con el color correspondiente al siguiente proceso, es decir al posicionamiento. Cabe mencionar que si se tiene igual saturacin de 2 o ms colores no se sumar nada a las variables ROJO, VERDE o AZUL. Tambin es necesario indicar que si se tiene un nmero igual entre cualquiera de las 3 variables y este nmero es el mayor de los 3 nmeros contenidos en las variables antes mencionadas el programa enviar una seal que indicar que no es ninguno de los 3 colores admitidos en el proceso por lo que el objeto deber ser colocado en el sitio destinado para estos casos, es decir el sector 4.

Figura 8 Diagrama de flujo- Deteccin y anlisis del color

H. PosicinEn el posicionamiento se utiliz un giroscopio el cual cumple como objetivo garantizar la correcta posicin del robot para que objeto llegue al depsito de manera adecuada.El proceso comienza con el sensor con el valor de 0 el cual es la posicin de home. Al colocar un objeto este ser identificado mediante visin artificial y segn la identificacin del objeto el controlador enva la orden a los motores para su posicionamiento, y constantemente se lee el valor que arroja el sensor para logar la localizacin exacta de los depsitos y vara dependiendo de los colores identificados en el color azul el motor debe girar 11 en sentido horario, para el color rojo debe girar 153 en sentido anti-horario y para el color verde debe girar en sentido horario 50.

Figura 9 Diagrama de flujo-PosicinMATRICES DHEl robot utilizado para el proceso de clasificacin por color se considera uno de 3 ejes de rotacin, la solucin para encontrar la cinemtica directa consiste en encontrar una matriz de transformacin T que relacione la posicin cartesiana (Px, Py y uz) y los ngulos de Euler. Denavit-Hartenberg propusieron un mtodo de matrices basado en cambios de los sistemas de referencia que permite resolver de una manera sistemtica el modelo de cinemtica directa, as escogiendo un sistema de coordenadas ligado a cada segmento (ver figura 10) es posible ir de un sistema de referencia al siguiente.

Figura 10 Sistema de coordenadas-DH

Los resultados obtenidos van a depender exclusivamente de las caractersticas geomtricas del brazo robtico, en nuestro caso utilizando las medidas de los links dadas por el fabricante los parmetros de Denavit-Hartenberg obtenidos son:

Tabla 1 Parmetros DHArticulacini ()di (m)ai (m)i ()

110.15090

2200.140

3300.1520

Hallando la matriz para cada articulacin:

Sabiendo que la matriz que representa la posicin final T viene dada por:

El vector P es el que determina las coordenada X, Y y Z como funcin de los ngulos de las articulaciones.

Es as que las coordenadas del punto final se determinan as:

HMILa interfaz implementada consta de cuatro reas como se puede observar en la figura 11.

Figura 11 HMIa) rea de control: En esta se encuentra el switch On/Off para el encendido del sistema, el botn Manual/Automtico para la eleccin de los diferentes modos de operacin, cada modo consta de un botn Start para su respectiva inicializacin, y el botn Stop para el paro del proceso.

b) Controles Manuales: En esta rea encontramos tres controladores con los cuales se movern los diferentes servomotores del robot, generando as diferentes posiciones del mismo.c) Matrices DH: En la parte inferior encontramos la matriz de de Denavit-Hartenberg y a tambin se visualiza los valores de Px, Py, Pz.

d) Sensores: En la parte derecha de la HMI podemos visualizar los diferentes sensados que se realizan, la identificacin de color realizada por la cmara y la posicin obtenida por el giroscopio.

RESULTADOSCONCLUSIONESPara el manejo del brazo robtico, se ha desarrollado e implementado una HMI en el software Labview, en el cual se controla el inicio del proceso ya sea en modo manual o automtico, junto con ello se muestran los diferentes valores en x,y,z que se obtiene en las matrices DH.

Realizar la identificacin de color con una cmara depende del ambiente y de la resolucin de la misma, ya que los factores como luz pueden alterar la respuesta que se obtenga generando un error en el proceso, por ello se proponen trabajar en un ambiente con luz tenue.

El software Labview permite controlar la calidad de imagen que se vaya a procesar en la deteccin de color, teniendo la limitante que a mayor resolucin el proceso tiende a presentar retardos no teniendo as una lectura en tiempo real.

REFERENCIAS[1] J.J. Craig; Robtica; Ed. Prentice-Hall; Tercera Edicin. 2007.[2] Siegwart R., Nourbakhsh I. R.; Introduction to Autonomous Mobile Robots (Intelligent Robotics and Autonomous Agents); Ed. The MIT Press. 2004.[3] J.J. Craig; Robtica; Ed. Prentice-Hall; Tercera Edicin. 2007.[4] Ollero Baturone A.; Robtica: Manipuladores y Robots Mviles; Ed. Alfaomega. 2007[5] F. Torres, J. Pomares, P. Gil, S.T. Puente, R. Aracil - Robots y Sistemas Sensoriales; Ed. Prentice-Hall. 2002[6] Barrientos, A., Pen, L., Balaguer, C. y Aracil, R. (1997). Fundamentos de Robtica. Madrid: McGraw-Hill.[8] Nieto, F., Chica, J., Mola, M., Andujar, J. (2010). Desarrollo de un instrument virtual para el control remote de un brazo manipulador de uso educacional.[9] National Instrument. (2012). Simulated PID Control of Robotic Arm. 28/07/12, de National Instrument Sitio web: http://www.andes.info.ec/es/economia/precio-cilindro-gas-no-varia-ecuador-sigue-costando-usd-160-microempresas.html[10] National Instrument. (2012). Designing Serial Arms. 03/06/12, de National Instrument Sitio web: http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/372983C-01/lvrobogsm/robo_arm_definition/[11] Editorial Acadmica Espaola. (2012). Control difuso de un brazo robtico articulado. 03/06/12, de Editorial Academica Espaola Sitio web: http://www.researchgate.net/profile/Jose_de_Jesus_Rubio/publication/241688615_Control_difuso_de_un_brazo_robtico_articulado_diseo_simulaciones_y_experimentos/links/53eaa81a0cf28f342f44e6d6.pdf

BIOGRAFIA

Vernica Patricia Casaliglla Snchez naci en Quito el 30 de Julio de 1992, estudi la primaria en el Colegio Militar Abdn Caldern, realiz su nivel secundario en el Colegio 24 de Mayo y actualmente cursa el noveno semestre de la carrera Ingeniera en Electrnica en Automatizacin y Control en la Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE

Jorge Andrs Maldonado Manosalvas, naci en Quito el 21 de Marzo de 1991, estudi la primaria y secundaria en la Academia Almirante Nelson y actualmente cursa el noveno semestre de la carrera Ingeniera en Electrnica en Automatizacin y Control en la Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE

Pal Sebastin Prez Villacs naci en Tungurahua (Ambato), Ecuador el 4 de Julio de 1991. Realiz sus estudios primarios en la Unidad Educativa INSUTEC. Efectu sus estudios secundarios en el Instituto Tecnolgico Superior Bolvar gradundose en el 2009 con el ttulo de Bachiller en Ciencias. En la actualidad se encuentra cursando sus estudios en la Escuela Politcnica del Ejrcito en la facultad de Electrnica en Automatizacin y Control.

Felipe Lenin Veintimilla Portilla naci Santo Domingo el 26 de Noviembre de 1992, estudi la primaria en la escuela ITC Amazonas, realiz su nivel secundario en el Colegio Instituto Tecnolgico Julio Moreno Espinosa y actualmente cursa el noveno semestre de la carrera Ingeniera en Electrnica en Automatizacin y Control en la Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE