brazo de robot francisco javier martínez serrano, gloria victoria alférez gutiérrez, juan antonio castellano rodríguez, mario enrique de reg

BRAZO DE ROBOT
Francisco Javier Martínez Serrano, Gloria Victoria Alférez Gutiérrez,
Juan Antonio Castellano Rodríguez, Mario Enrique De Regil Hernández,
María Guadalupe Meza Anguiano, Jorge Valentín Zuñiga Moreno, Alma
Adriana Camacho Pérez Rubén Olalde, Daniel Tristán Esquivel.
Universidad Tecnológica de León
Blvd.. Universidad Tecnológica No. 225 C. P. 37670, León, Gto.
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Universidad Tecnológica de León
e-mail: [email protected]
[email protected]
RESUMEN
En este trabajo se aplican conceptos fundamentales para el diseño
cinemático de un mecanismo1. El propósito del mismo es proponerlo como
prototipo didáctico a instituciones educativas donde pueda utilizarse
para facilitar las demostraciones que se puedan realizar con él,
debido a que es un sistema mecatrónico que involucra diferentes
disciplinas como mecánica, eléctrica, electrónica e informática.
INTRODUCCIÓN
------------
Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imiten las partes
del cuerpo humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a
las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por
sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de estos era
inspiración de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que
operaban con sistemas hidráulicos, los cuales se utilizaban para
fascinar a los adoradores de los templos2.
La palabra checa ‘Robota’ significa servidumbre o trabajador forzado,
y cuando se tradujo al inglés se convirtió en el término robot.
Entre los escritores de ciencia ficción, Isaac Asimov contribuyó con
varias narraciones relativas a robots, comenzó en 1939, a él se le
atribuye el acuñamiento del término Robótica. La imagen de robot que
aparece en su obra es el de una máquina bien diseñada y con una
seguridad garantizada que actúa de acuerdo con tres principios. Estos
principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la
Robótica, y son:
1.- Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la
inacción, que un ser humano sufra daños.
2.- Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos,
salvo que estén en conflictos con la primera ley.
3.- Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en
conflicto con las dos primeras leyes.
El uso de robots industriales junto con los sistemas de diseño
asistidos por computadora (CAD), y los sistemas de fabricación
asistidos por computadora (CAM), son la última tendencia en
automatización de los procesos de fabricación. Éstas tecnologías
conducen a la automatización industrial a otra transición, de alcances
aún desconocidos.
En la actualidad el uso de los robots industriales está concentrado en
operaciones muy simples, como tareas repetitivas que no requieren
tanta precisión. Un robot industrial es un máquina programable de uso
general que tiene algunas características antropomórficas o
¨humanoides¨. Las características humanoides más típicas de los robots
actuales es la de sus brazos móviles, los que se desplazarán por medio
de secuencias de movimientos que son programados para la ejecución de
tareas de utilidad.
La definición oficial de un robot industrial se proporciona por la
Robotics Industries Association (RIA), anteriormente el Robotics
Institute of America.
"Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable
diseñado para desplazar materiales, piezas, herramientas o
dispositivos especiales, mediante movimientos variables programados
para la ejecución de una diversidad de tareas".
Marco teórico.
Mecánico.
Para la realización de la parte mecánica de nuestro prototipo
fundamentamos nuestro estudio en las siguientes leyes de la Mecánica:
Ley de Grashof. Esta ley señala que si la suma de las longitudes del
eslabón más largo y del más corto es menor que la suma de las
longitudes de los otros dos, se forman:
*
Dos balancines de manivela distintos cuando el eslabón más corto
es la manivela y cuando cualquiera de los otros dos eslabones es
el eslabón fijo.
*
Una doble manivela cuando el eslabón más corto es el fijo.
*
Un doble balancín cuando el eslabón opuesto al más corto es el
fijo.
Además, si la suma de las longitudes de los eslabones más largo y más
corto es mayor que la suma de las longitudes de los otros dos,
solamente se pueden producir mecanismo de doble balancín. También, si
la suma de los eslabones más largo y más corto es igual a las suma de
los otros dos, los cuatro mecanismos posibles son semejantes a los
descritos anteriormente en los incisos 1, 2 y 3.
Bandas
Es un elemento mecánico muy flexible utilizado para transmitir
potencia cuando existen poleas unidas a flechas o ejes. Su apariencia
es la de una línea unida extremo con extremo, con una sección
trasversal que varía según sea su tipo están elaboradas de alambres
con caucho a su alrededor, son más resistentes, durables y permiten
tener una trasmisión poco ruidosa y libre de patinajes, a estas se les
puede añadir una capa de fibras sintéticas bañadas en caucho para
protegerlas
Banda dentada
Cuando se necesita una transmisión flexible lo más exacta posible y
que esté libre de patinajes se recurre a la banda dentada, muy
utilizada cuando hay engranes unidos a las flechas o ejes. Sus dientes
se acoplan perfectamente a los engranes por lo que no patinan, pero
existe el riesgo de perderlos si están muy tensas. Son muy utilizadas
en situaciones donde debe existir sincronización como es el caso del
árbol de levas y el cigüeñal en los automóviles. También se le conoce
como banda de sincronización
Polea
La polea es un dispositivo mecánico de tracción o elevación, formado
por una rueda (también denominada rondana) montada en un eje, con una
cuerda que rodea la circunferencia de la rueda
Poleas simples
Sólo con una cuerda y una rueda se puede arreglar el cambio de
dirección. Se fija la rueda a un soporte y se pasa una cuerda por la
rueda hasta alcanzar la carga. Al tirar desde el otro extremo de la
cuerda, se puede elevar la carga hasta la altura en que se halla fija
la polea. El propio peso del cuerpo de la persona que tira se
constituye en una ayuda. Una rueda utilizada de esta manera, se
convierte en una polea, y el sistema de elevación que realiza es una
simple guía.
Poleas Compuestas
Las poleas compuestas son aquellas donde se usan más de dos poleas en
el sistema, y puede ser una fija y una móvil, o dos fijas y una móvil
etc.
Poleas móviles
Esta polea se une a la carga y no a la viga. Una polea móvil simple es
una palanca de segunda clase que multiplica la fuerza ejercida. La
carga es soportada en igual magnitud por ambos segmentos de cuerda
esto hace que la fuerza aplicada disminuya a la mitad. Sin embargo, se
debe tirar la cuerda a una distancia mayor
Eléctrico.
En la parte eléctrica se requiere de los siguientes conceptos para la
estructuración del prototipo.
Motores eléctricos de corriente directa
Todos los motores eléctricos tienen básicamente los mismos
componentes. Todos tienen un magneto estacionario denominado el
estator y un electroimán denominado la armadura. El estator genera el
campo magnético. Cuando una corriente eléctrica pasa por el embobinado
de la armadura que se ha colocado en el campo magnético generado por
el estator, esta comienza a rotar debido al torque magnético. De esta
manera al energía eléctrica se convierte en energía mecánica . Si el
eje del motor se conecta mediante una correa a una polea esta se pone
en movimiento.
Todas las maquinas DC son reversibles. Si le suministramos un voltaje
a los terminales a una máquina eléctrica (motor), su armadura gira y
podemos eventualmente realizar un trabajo mecánico. Por otra parte, si
hacemos girar el eje del motor y por tanto su armadura con ayuda de
algún dispositivo entonces el motor trabajara como un generador
eléctrico (dínamo) y producirá corriente eléctrica.
Para la parte de electrónica se utilizarán los conceptos siguientes
para complementar el prototipo.
Electrónico.
El circuito necesario para las salidas es el siguiente: el puerto
paralelo se conecta aun buffer (74LC245) el cual es un inversor,
convierte los “1” lógicos en “0” (a esto se le llama lógica inversa),
de este va a una etapa de potencia (transistores), la cual realiza una
función de interruptor, de aquí está conectado a unos relevadores y a
indicadores de luz (leds) los cuales actúan como indicadores. Los
relevadores se utilizan en el estado NA.
Para poder variar la velocidad de los motores utilizamos el TIP 41 y
TIP 42 alimentados con voltaje negativo y positivo respectivamente,
aunado a los TIP 41 y 42 se utiliza un TRIAC el cual hace que las
señales sean bidireccionales permitiendo el giro del motor hacia ambas
direcciones. Las entradas solo tienen un arreglo con resistencias.
En la parte de programación utilizamos la siguiente información.
Programación.
La forma en que controlamos nuestro mecanismo es mediante un programa
de computadora hecho en lenguaje C++ él cual permite crear secuencias
de control para cada uno de los motores que controlan el movimiento
del mecanismo, así como cualquier otro dispositivo que opere con
corriente eléctrica. Otra característica del sistema, es que puede
recibir pulsos externos los cuales pueden venir de finales de carrera,
sensores, etc., lo cual permite tener una interacción con el medio
exterior y así obtener un mejor control del mecanismo.
El puerto paralelo de la computadora es el medio por el cual el
sistema interactuar con el mecanismo, el puerto paralelo opera en
lógica inversa (o sea que cuando el programa manda un 1, el puerto
manda un 0), por lo cual se le implementó un 74LS24 que es un circuito
integrado que corrige la lógica inversa (cuando mande un 1 el
dispositivo a controlar reciba un 1) . Este puerto, se divide a su vez
en tres puertos que son: el puerto de datos, el puerto de estado y el
puerto de control, estos tres puertos comprenden las terminales del 1
al 17 y las terminales del 18 al 25 son tierras, a continuación se
describirá a cada uno de los puertos.
Puerto de datos
Este puerto comprende los pines del 2 al 9 del puerto paralelo y es
por medio de este por el cual se envían los pulsos.
Puerto de Estado
Comprende las terminales : 10,11,12,13 y 15 del puerto paralelo y es
por medio de él que se reciben pulsos externos (5Vdc). Nota: este es
el más delicado puesto que si recibe un pulso mas grande que el
indicado, puede dañarse el puerto y a su vez toda la tarjeta madre de
la computadora.
Puerto de control
Se conforma de las terminales :1,14,16 y 17 del puerto paralelo,
normalmente envía pulsos (como el puertos de datos) pero puede
configurarse para recibirlos (puertos de estado).
La forma en que nuestro sistema controla el mecanismo es mediante el
envío de pulsos eléctricos de 5 volts por medio del puerto paralelo
(puertos de datos), estos pulsos tienen una cierta duración
previamente determinada en el programa lo que provoca específicas
posiciones de los eslabones del mecanismo. El programa envía estos
pulsos en código hexadecimal pero el puerto paralelo los manda en
código binario, así pues, cuando se desea enviar un pulso a un cierto
motor, se debe conocer que número binario activará a ese motor lo cual
no es necesario que conozca el operador del sistema puesto que
automáticamente el sistema sabe a que dirección enviarlo. Para recibir
pulsos se hace que el final de carrera o cualquier otro sensor, cierre
un pequeño circuito conformado por una resistencia que cuando consume
corriente, el sistema detecta un 1 y cuando no esta consumiendo
corriente, el sistema detecta un cero es mediante esta combinación de
ceros y unos que el sistema obtiene lecturas que puede comparar y así
saber si debe efectuar alguna acción que se programó para cuando se
presentara dicha combinación.
Finalmente cabe mencionar que nuestro sistema actualmente utilizamos
solo el puerto de datos y el de estado por la cantidad de motores que
empleamos.
MATERIAL
Para la realización del prototipo se contó con los siguientes
materiales:
Barra de aluminio, acero 10/18, poleas (dimensiones varias), motores
12V 6 watts, MDF, 8 transistores BC548, 18 resistores 330, 5
resistores 470, 1 CI 74LC245, 1 entrada puerto paralelo, 8 LED,
cable, 9 finales de carrera, 1 transformador 24 V- 3 A, 1 puente de
diodos 5 A, un push button, tablilla para impreso, 8 relevadores a 6V,
un triac MAC12D, un transistor TIP41, un transistor TIP42 y 2
potenciómetros de 500 k

Fig. 1 Fotografía del prototipo completo
PROCEDIMIENTO
A continuación se presenta el procedimiento de la diferentes partes:
Parte mecánica
1.
Se definieron las medidas que se desean
2.
Después los materiales que se iban a utilizar
3.
Número de movimientos
4.
Los brazos se cortaron de solera de aluminio de largo y ancho
donde dos quedaron de 150 mm de largo por 40 mm de ancho.
5.
Después los otros dos de al frente de 100 mm de largo por 40 mm de
ancho.
6.
También el tamaño donde va montada las pinzas así como el muelleo
del hilo de tensión.
7.
Después son cortados los brazos de las pinzas así como las
distancias que habrá entre cada una.
8.
Después se maquinaron los ejes donde giran cada uno de los
eslabones que seria una flecha de ¼ de pulgada donde tendría rosca
por los dos lados para tener diferentes distancias. (No. De ejes:
3)
9.
Después son perforadas todas las soleras con su respectivo eje.
Aplicando también a unas poleas que le transmitirá el par
cinemático.
10.
Medir cuanto hilo se va necesitar para tensar las pinzas.
11.
En las pinzas le colocaron dos resortes de tensión para mantener
abiertas las pinzas y se le coloco el hilo de presión de las
pinzas.
12.
También se le coloco el mecanismo de engranes para cerrar y abrir
las pinzas
13.
Se le colocó y mecanismo en la parte inferior donde se simula el
movimiento del ultimo eslabón
14.
Por último montarlo en la base.
Parte electrónica
1.
En primer lugar definimos el tipo de control y los materiales
necesarios
2.
En un principio se realizó el control en el protoboard debido a
que aún estaba en pruebas y allí es mas factible realizar
cualquier modificación
3.
Después se paso a la tableta.
Programación.
1.
Esto surgió entre inquietudes y dudas, ya que ninguno de los
integrantes domina este ámbito, pero pudimos aprender algo nuevo
con ayuda de un asesor.
A continuación se muestran los cálculos realizados para obtener las
especificaciones del prototipo como son: potencia, torque del motor
entre otros.
CÁLCULOS
Cálculo de la potencia
P = 22 w = 0.0294 Hp
====================
 = 1800 rpm
Calcular el torque del motor (TM)
TM = Pot(Hp)63000/ (rpm) = (0.0294 Hp)63000/1800rpm = 1.0322 lb.in
Calcular la fuerza tangencial del motor (FM)
FM = TM/r ; r = (5/16)/2 = 5/32” ; FM = 1.0322 lb.in/(5/32) in =
6.6059 lb
Calcular el toque en P2.
TP2 =6.6059 (1/2”) = 3.3029 lb.in
Calcular la fuerza en el sinfín (FN)
FN = TP2/ r5 ; FN = 3.3029/(5/32) = 21.1385 lb
NOTA: Suponemos que la componente axial de la fuerza del sinfín es
despreciable y que su componente normal es la misma fuerza que la que
produce el torque en el sinfín.
Calcular la fuerza tangencial del sinfín (FT)
= 180 – 25 – 90
= 65º
FT = M2/R M2 = FN cos  (R)
M2 = (21.1385 lb) (1/6”)cos65º = 1.4889 lb.in
FT = M2/R = 1.4889 lb.in/ (1/6in) = 8.935 lb
Ahora se calcula el torque en el eje O
--------------------------------------
TO1 = FT .d ; donde: d = /2 = 2”2 = 1”
TO1 = 8.9335 lb (1”) = 8.9335 lb.in
Calcular la fuerza máxima que puede sostener cuando el eslabón L1 se
encuentra en posición horizontal (brazo de palanca = longitud del
eslabón)
TO1 = FMAX .L1 ; FMAX = TO1 /L1 = 8.9335 lb.in/5.905
FMAX = 1.5128 lb
CONLUSIONES
El prototipo se encuentra en la etapa de estructuración del programa
la cual se puede mejorar integrando diversas tareas; cabe mencionar
que sería conveniente anexar un reporte sobre la parte de interfase y
el desarrollo de software o programa.
BIBLIOGRAFÍA
1. Norton L. Robert Diseño de Maquinaria, Mc. Graw Hill
2.
Mabie H. Hamilton, Reinholtz F. Charles, Mecanismos y dinámica de
maquinaria, Ed. Limusa Wiley.
3.
Winston Albert, Física General, Ed. Harla, 2002.
4.
http://proton.ucting.udg.mx/dpto/tesis/quetzal/CAPITUL1.html
5.
http://ceciba.escuelaing.edu.co/lladino/MotoroesDC/MotoresDC.htm
6.
http://www.donosgune.net/2000/gazteler/mecanica/transmis.htm
7.
http://usuarios.bitmailer.com/aperobot/brazo_robotico.htm

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