Brazo Robotico

UNMSM Facultad de Ingeniera Electrnica y Elctrica.

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Per, Decana de Amrica)

Ingenieria de control II

CURSO DOCENTE TEMA :

: :

Ingeniera de control II

Ing. Cabezas Soldevilla

Diseo, construccin y programacin de un brazo robtico ALUMNO :Joel Harold Saldaa Montoya

LIMA PER 2010

Joel Harold Saldaa Montoya

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DISEO, CONSTRUCCION Y PROGRAMACION DE UN BRAZO ROBOTICOSaldaa Montoya Joel Harolde-mail: [email protected] RESUMEN: este proyecto fue realizado bsicamentecon los objetivos de experimentar la programacin e implementacin de un brazo robot, lo que implica conocimientos de mecnica, electrnica avanzada, los actuadores son motores DC estratgicamente ubicados, estos fueron utilizados por su bajo costos y fcil manejo, la desventaja es la dificultad de poder ubicar el brazo en una posicin determinada. Este problema fue resuelto utilizando potencimetros en cada grado de libertad y obteniendo lecturas de voltaje y estos a su vez ingresados al sistema de control digital siendo digitalizados previamente. El programa de control utiliza las lecturas de los ADC y las entradas de referencia, de estas dos entradas calculamos el error el cual es reducido por un controlador PI (proporcional -integral). Todo el sistema ser implementado utilizando un microcontrolador Atmega8, fue elegido por su capacidad de memoria y por que cuenta con 6 ADC, se programo en lenguaje Basic, utilizando la plataforma Bascom-AVR. La totalidad de este proyecto fue realizado, desde la mecnica bsica, la electrnica y la programacin, el diseo fue inspirado por el brazo humano, lo que si en este proyecto no se pudo realizar una mano, pero eso ser parte de otro proyecto, el actuado principal del brazo es una pinza robot, la que tambin tuvo que ser desarrollada desde cero. PALABRAS CLAVE: tornillo sin fin, ADC, potencimetro, pinza, infrarrojo, microcontrolador, grado de libertad, rampa. Este robot fue diseado para cumplir las funciones que cumplira un brazo humano, este diseo se basa principalmente en el auto sostenimiento por la misma estructura, lo que quiere decir , que la mecnica utilizada debera economizar el uso de los motores. Est dividido en 4 secciones principales: Base, esta debe ser giratoria, estable y lo suficientemente fuerte para sotener y girar todo el brazo, para ello utilizamos un motor DC mediano y un conjunto de engranajes que cambian velocidad por fuerza, adems convenientemente reducen la velocidad de giro.

1 INTRODUCCINBsicamente pasaremos a explicar cmo se ideo y se construy el robot y las dificultades que se tuvo adems de explicar su programacin y funcionamiento.

Como se observa , el motor que controla el mecanismo de engranajes de la base se encuentra fijado sobre una base de madera, los ejes estn sobre una carcasa de aluminio, adems como podemos observar se coloco un potencimetro con un engranaje en el mecanismo de giro, cuando la base gire , el potencimetro tambin lo har dndonos valores distintos de voltajes por cada grado de giro, (valores de voltaje ya que el potencimetro es polarizado con 5 voltios en sus extremos y los valores los obtenemos del terminal central). Seccin 1: Est constituida por dos motores dc que funcionan en conjunto ambos exactamente iguales en extremos diferentes y con juegos de engranajes que proporcionan mas torque, esto es necesario ya que esta seccin tiene que soportar todo el peso del brazo mas la posible carga en movimientos de arriba hacia abajo.

2 DISEO2.1 CARACTERSTICAS GENERALES


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.plstico y aluminio y con un motor mediano DC que sobresale de la estructura.

Como podemos observar estos motores estn ubicados en cada lado y conforman un solo eje, la potencia de ambos es la que puede levantar todo el brazo. Esta seccin esta montada sobre una base de aluminio y esta gira gracias al mecanismo de la base, el armazn y estructura del brazo en si se har de madera por ser resistente y tener un peso menor al del aluminio, adems de ser mucho mas manejable al momento de la construccin. Seccin 2: esta seccin esta montada sobre la primera seccin y es accionada por un pistn elctrico montado sobre la base giratoria, esto se hizo para mantener lo mas bajo posible el centro de gravedad del brazo, este pistn esta constituido de un motor DC con un mecanismo de engranajes y una seccin dentada que es el actuador del todo el sistema de piston, este tuvo que ser construido tambin debido a la complejidad de su funcionamiento, como base del pistn se utilizo una bisagra de metal, ya que el pistn tambin deba poder moverse junto con la primera seccin como uno solo. Para entender un poco mejor el esquema como podemos observar, en la seccin 1 est montado el pistn, que a su vez levanta y recoge la seccin 2 del brazo, el pistn puede bajar y subir gracias a la bisagra ubicada en su base. Uniendo la seccin 1 y 2 encontramos una bisagra tipo trapecio, cada seccin est conformada por 4 listones de madera de 15 mm de espesor, en ambos casos reforzadas por lminas de aluminio. La seccin 2 es la encargada de sostener el que ser el actuador principal del brazo, una pinza elctrica. La Pinza: La pinza es el actuador de todo el brazo, es la pieza clave, sin esta el buen funcionamiento de las otras partes no habra valido la pena. Para su construccin se utilizo un motor DC y dos engranajes que a su vez movan dos listones de acrlico, se utiliz materiales de poco peso debido a que esta pieza debe pesar lo menos posible. En

Como observar pistn montado parte del esta

podemos este esta en la trasera brazo, hecho de

esta imagen podemos ver el motor principal, los engranajes, los listones de acrlico y dos listones adicionales de apoyo. Estos listones a su vez terminaban en una pieza de madera en forma de L, al girar el motor en un sentido u otro la pinza se abra o cerraba.


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.El tiempo que tomo hacer este proyecto fue de 2 meses aproximadamente, pero aun no se concluye, ya que se le continan haciendo mejoras. Para el manejo de los motores se utilizaran puentes H L293d Y las fuentes de alimentacin principal sern 2 una de 5 voltios para la parte lgica y otra de 12 voltios para la parte de potencia.

6 PLACA DE CIRCUITOConsta de dos microcontroladores para su funcionamiento el primero es un PIC 16F628A el cual esta encargado de la parte de control de los motores, en total son 4 motores a controlar, los motores de la seccin 1 se consideran como uno, el otro microcontrolador es un ATMEGA8 encargado de leer los datos que nos dan los potencimetros, leer las referencias y correr el controlador PI encargado de minimizar el error del sistema. Se hace uso de dos integrados puentes H L293D con disipador para el control de los 4 motores, estos a su vez son controlados por el PIC 16F628A, la comunicacin entre el PIC y el Atmega se hace por 4 pines por donde intercambian informacin, se utilizo esta modalidad por que nos permita simplificar la programacin, al Atmega se le habilitaron 6 pines para la lectura de los datos analgicos en sus entradas ADC. Actualmente se viene trabajando para simplificar, mejorar y repotenciar la placa de control de modo que se estar modificando frecuentemente.

Podemos observar en esta imagen la seccin posterior de la pinza, all est la pieza de metal donde los listones de acrlico se sostienen. Se implementara un sensor en la pinza para que pueda detectar un objeto, dependiendo del tipo de objeto se instalara el sensor, aunque se tiene planeado un sensor infrarrojo, por su bajo costo y versatilidad. Y aqu acaba la mecnica principal.

3 IDEAS PRINCIPALESBsicamente la de sostener objetos y moverlos de un lugar a otro, limitado claro al campo de accin del brazo. La base est limitada solo a girar 200 grados, la seccin 1 va de 0 a 90 grados, con referencia a la horizontal, y la seccin 2 de 30 a 90 grados. El brazo esta diseado solo para levantar objetos de mximo 200 gramos, esto debido a que solo fue construido por motivos de estudio, y sobretodo para practicar la programacin y darle inteligencia, una vez obtenido el programa para su control y perfeccionado el diseo, se podra pensar ensamblar brazos con ms potencia, mas prestaciones y con fines educativos y comerciales. La programacin se har de acuerdo a lo explicado anteriormente, obteniendo valores de referencia y de los sensores ubicados en el pistn, base y seccin 1, adems del sensor infrarrojo ubicado en la pinza. Mas detalles de la programacin se darn en la seccin respectiva.

4 INTEGRANTESProyecto realizado por Joel Harold Saldaa Montoya con el apoyo de familiares, compaeros de la facultad y del instituto de investigacin FIEE. Este es parte del esquema de la placa con el Atmega y los puentes H, es el esquema utilizado para las simulaciones que se hacen cuando queremos probar modificaciones del programa sin utilizar el brazo. Esto se hace debido a la facilidad que nos proporciona el emulador, en este caso utilizamos el Proteus. La placa fue construida de manera bastante reducida, lo que nos permite poderla ampliar, no se realizo layout ni tampoco se utilizo un programa que nos genere las pistas del circuito, esto debido a que nuestra placa sufrir mltiples cambios en el proceso, cuando todo el proyecto este terminado, nuestra placa de entrenamiento nos servir como base para hacer placas con layouts en serie, tal vez con propsitos comerciales.

5 CONSTRUCCIONSe utiliz madera como materia principal debido a que el presupuesto era limitado y adems porque era lo ms conveniente debido al problema del peso y las modificaciones de ltimo momento, la madera nos ofreca muchas ventajas. Tambin como ya se explico se utilizo el aluminio, por su facilidad de manejo, bajo costo y poco peso, adems de algunas piezas de plstico. Tambin de utilizo masilla epoxica, pegamentos de contacto y tornillos autorroscantes.


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7 PROGRAMACIONEn este apartado explicaremos los aspectos bsicos de la programacin del brazo donde utilizamos dos lenguajes de programacin, el C y el Basic. Utilizamos C para programar el PIC 16F628A, empleando la plataforma PIC CCS, bsicamente el PIC funcionara como decodificador ya que todo el procesamiento lo har el Atmega, cada cdigo de 4 bits enviado por el Atmega ser decodificado por el PIC y este efectuara una accin de control sobre los motores. El PIC puede ejecutar hasta 16 ordenes distintas que le envi el Atmega. El Atmega8 es la pieza clave en el funcionamiento del brazo, es el cerebro principal capaz de leer datos anlogos proporcionados por los potencimetros del brazo, estos datos son digitalizados en el Atmega y luego procesados por un programa principal donde utilizamos tambin interrupciones definidas cada cierto tiempo. El programa principal se ejecutara todo el tiempo leyendo valores que nos proporcionan los sensores y tambin desde bits de entrada definidos, estos dos darn los valores de referencia a alcanzar. La diferencia entre los valores de referencia y los valores ledos por los ADCS nos proporcionan variables de error, los cuales sern minimizados por el controlador PI que se implementara tambin en el Atmega. El cdigo de este controlador PI se escribir dentro de una interrupcin que se ejecutara cada 8 milisegundos, sea la frecuencia con la que se toman las muestras en los potencimetros del brazo ser de aproximadamente 120 Hz, es una frecuencia ms que suficiente debido a que el proceso es de naturaleza lenta. El controlador PI se implementara utilizando el mtodo rectangular el cual consiste es sumar el error multiplicado por la variable Ki a un acumulado, este producto puede ser positivo o negativo dependiendo directamente del signo del error. Los valores de los parmetros del Kp y Ki fueron hallados experimentalmente debido a que nuestros clculos no concordaban y producan muchos errores. La imprecisin de nuestros clculos puede deberse a que se tuvo que asumir varios datos, sobre todo de motores y resortes utilizados en el sistema, adems que este es un controlador que debe controlar tres variables de error, prcticamente tres controladores distintos para un mismo sistema. El subprograma encargado de controlar la pinza ira en el bucle principal y este depender directamente de un sensor infrarrojo ubicado en la misma pinza y el cual detectara la proximidad de un objeto. Los valores de referencia irn de tres en tres como coordenadas, el Atmega leer estos datos y tratara de alcanzarlos con el mnimo de error y en el menor tiempo posible, una vez que alcance un error cercano a cero o muy pequeo, el brazo detendr su movimiento en sus tres secciones.

8 FUNCIONAMIENTOComo ubicarse en el espacio ser una tarea difcil debido a que esos clculos no le competen al Atmega, este solo recibe coordenadas y las cumple, los datos de referencia sern ingresados manualmente, estos provendrn de clculos matemticos hechos a mano o por la experimentacin de valores referentes para cada punto del espacio dentro del campo de accin del brazo. Por ejemplo podemos ingresar valores de referencia que correspondan a una altura determinada y en una orientacin ubicada a ciertos grados respecto al centro del brazo. Las aplicaciones posibles de este brazo son variadas dependiendo de los limites de este, por ejemplo tal como esta este brazo puede ser capaz de transportar objetos que provengan de una faja transportadora a una frecuencia fija desde la faja hasta otro punto a mximo 200 grados y a una altura mxima respecto de la faja de 40 cm. Este proyecto puede tambin habilitarse en el futuro para una posible prtesis ortopdica.

9 FOTOGRAFASA continuacin mostramos fotos del robot terminado en su parte mecnica.


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.mueven junto con el brazo, estos estn polarizados con 5 voltios, su terminal central es el que nos da los valores variables que luego son introducidos en los ADCs del Atmega.

10 CONCLUSIONESEste proyecto fue concebido con la idea de poder aprender y experimentar la programacin de microcontroladores en aplicaciones poco convencionales, ya estbamos cansados de hacer juegos de luces o sistema ficticios, queramos algo real que nos permitiera poder darle un uso aprovechable. Lograr esto es muy gratificante debido a la complejidad del proyecto y nos permite poder dar a conocer nuestros conocimientos de manera ms directa e impactante, nos da la oportunidad de poder exponer y dar a conocer un proyecto el cual todo el mundo al menos los mecatronicos y electrnicos desearan hacer. En la actualidad sistemas de este tipo los venden, la mayora de estos sistemas usan servomotores, estos servos son carsimos , lo que desalienta a seguir , como hemos visto en este proyecto utilizamos motores DC en todas las secciones obteniendo resultados favorables.

11 REFERENCIAS[1] G. Obregn-Pulido, B. Castillo-Toledo and A. Loukianov, A globally convergent estimator for n frequencies, IEEE Trans. On Aut. Control. Vol. 47. No 5. pp 857-863. May 2002. [2] H. Khalil, Nonlinear Systems, 2nd. ed., Prentice Hall, NJ, pp. 50-56, 1996. [3] Francis. B. A. and W. M. Wonham, The internal model principle of control theory, Automatica. Vol. 12. pp. 457-465. 1976. [4] E. H. Miller, A note on reflector arrays, IEEE Trans. Antennas Propagat., Aceptado para su publicacin. [5] Control Toolbox (6.0), Users Guide, The Math Works, 2001, pp. 2-10-2-35. [6] J. Jones. (2007, Febrero 6). Networks (2nd ed.) [En lnea]. Disponible en: http://www.atm.com.

Fotografas del brazo terminado en su parte mecnica y antes del la colocacin de los potencimetros en cada grado de libertad.

9 SENSORESLos sensores a utilizar son los siguientes: Sensores infrarrojos. Potencimetros

Notas:1.

En este proyecto se aplicaron todos los conocimientos adquiridos en otros trabajos como seguidores de lnea y robots laberinto.. Como en todo proyecto largo, se tuvo que interrumpir por momentos debido por motivos de trabajo o estudio, pero actualmente se encuentra muy avanzado como han podido ver, si quieren ver una demostracin del funcionamiento de este brazo pueden visitar mi canal en youtube, lo nico que deben de hacer es escribir mi nombre completo Joel Harold Saldaa Montoya, y tendrn acceso a todos los videos de este proyecto.

2.

9.1.1 SENSORES INFRARROJOS (cny70)Ubicado en la pinza nos permite saber si un objeto esta cerca, esto es para que la pinza se pueda abrir o cerrar automticamente de acuerdo al programa escrito.

9.1.2 PotencimetrosUbicados en cada grado de libertad del brazo , nos proporcionan valores de voltaje variable debido a que se


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.3. En espera de sugerencias que nos sirvan para mejorar el proyecto, cualquier crtica constructiva es bienvenida. Escribe y pregunta a [email protected], [email protected] o mandas tu pregunta como comentario en los videos del brazo en youtube.

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