Documentación del proyecto del brazo robótico.

1. BRAZO ROBÓTICO
6 GRADOS DE LIBERTAD
IES VICENTE ALEIXANDRE
1º BACH
JUAN FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ
VÍCTOR MIRANDA ALCÁNTARA
CARLOS PUMAR JIMÉNEZ

2. 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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3. 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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4. 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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5. 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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6. 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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7. 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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8. 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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9. 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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10. 9

11. 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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12. 11

13. 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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14. 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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15. •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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16. 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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17. 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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18. 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, ​ɣ​para 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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19. 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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20. 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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21. 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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22. 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%20Doce
ncia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/2004/Rob%C3%B3tica/seminario%2020
04%20robotica/Seminario_Robotica/Documentos/APLICACI%C3%93N%20DE%2
0LA%20ROB%C3%93TICA.htm​​industria
http://www.tecnodepunta.com/robots-industriales-brazos-robot-para-pintar-pa
letizar-soldar-manipular-etc/​robots industriales
https://prezi.com/_ckqh1xc-vfi/principales-marcas-de-proveedores-de-robots-i
ndustriales/​-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-hartenber
g-para.html
https://www.youtube.com/watch?v=JkzU37g6C_8
https://www.youtube.com/watch?v=JN6D44mhd1M
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23. 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-d
e-libertad-base-simple-servos-_JM
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