Desarrollo de una plataforma experimental de un robot...

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Tema A5. Educación en Ingeniería Mecánica: Plataforma experimental.

Desarrollo de una plataforma experimental de un robot delta teleoperado inalámbricamente con fines académicos.

Martínez Hernández Diana Luceroa, Javier Marin Victor Antoniob, Hernández Hernández Jonathan Israela

a Instituto Tecnologico de Atitalaquia, Av. Tecnológico No. 9. C. P. 42970. Colonia Tezoquipa Atitalaquia, Hidalgo. Mexico. bCidesi Av. Playa Pie de la Cuesta No. 702. Desarrollo San Pablo. Querétaro, Qro. México.

*Autor contacto. Dirección de correo electrónico: [email protected]

R E S U M E N

Este trabajo presenta el diseño conceptual, electrónico y la semi automatización de una plataforma experimental para un

robot delta de tres grados de libertad, teleoperado inalámbricamente por un microcontrolador ESP-8266 y NI Labview.

La metodología realizada para dicho prototipo fue la QFD, según los requerimientos del diseño que fueron necesarios

para realizar el prototipo. Se propusieron tres diseños preliminares los cuales fueron evaluados en función de los

parámetros establecidos. Se presentan los resultados de una rutina de simulación en Matlab para la animación de una

trayectoria y en NI Labview para la comunicación entre una PC y el prototipo. Como resultado de este trabajo se presenta

el diseño conceptual y el prototipo fabricado con elementos bases en impresión 3D y componentes electrónicos de bajo

costo. Palabras Clave: Robot Delta, ESP-8266, Ni Labview, Impresión 3D, Matlab, QFD.

A B S T R A C T

This paper presents the conceptual, electronic and semi-automation design of an experimental platform for a delta robot

with three degrees of freedom, teleoperated wirelessly microcontroller by ESP-8266 and NI Labview. The methodology

developed for this prototype was the QFD, according to the requirements of the design of the prototype. Three preliminary

designs were proposed, which were evaluated according to the established parameters. The results of a routine simulation

are presented in Matlab for the animation of one trajectory and in NI Labview for the communication between a PC and

the prototype. As a result of this work, present itself the conceptual design and the prototype manufactured with basic

elements in 3D printing and low cost electronic components.

Keywords: Delta Robot, ESP-8266, Ni Labview, 3D Printing, Matlab, QFD.

1. Introducción

La robótica es un área que ha estado creciendo continua y sostenidamente. Dentro del estudio de la robótica, los robots paralelos son modelados porque algunas de sus propiedades los hacen ser más eficientes que los robots de cadena abierta. Algunas de dichas propiedades son precisión, exactitud y capacidad de carga entre otras. Dentro de la robótica paralela se estudian los robots tipo Delta los cuales son usados para múltiples aplicaciones. [1] Los robots paralelos fueron introducidos hace ya algunas décadas por Gough (1975) y Stewart (1965). Clavel (1989) propuso el robot Delta, el cual es utilizado en aplicaciones de alta velocidad en la industria. [2] A principios de la década de los 80, Reymond Clavel profesor de la EPFL (École Polytechnique Fédérale de

Lausanne) a través de una brillante idea y por medio del uso

de paralelogramos, innova con la construcción de un robot paralelo con cuatro grados de libertad, tres traslacionales y uno rotacional, al cual decide llamar robot Delta, el cual es utilizado en aplicaciones de alta velocidad en la industria, el robot paralelo tipo Delta, es simétrico, espacial y compuesto por tres eslabonamientos idénticos los cuales conectan la base fija con la plataforma móvil.[3] Un robot de cinemática paralela, también llamado robot de cadena cerrada o manipulador paralelo, consiste básicamente en una plataforma móvil unida a una base fija por medio de varios brazos. [4] Los robots industriales se pueden clasificar de diversas maneras: 1. Temporalmente, es decir de acuerdo a su fecha de fabricación. 2. Por su grado de inteligencia. 3. Por su funcionalidad. 4. Por el tipo de control, que de acuerdo con la Asociación

ISSN 2448-5551 EM 70 Derechos Reservados © 2018, SOMIM

http://sitioswebqueretaro.com/


Francesa de Robótica Industrial (AFRI) realiza una clasificación de los robots según el tipo de control utilizado en cuatro categorías:

Tipo A o tele-manipulado: Que posee un control manual o telemando.

Tipo B o secuencial: Automático, es decir, que posee ciclos pre-ajustados, regulación mediante fines de carrera o topes, control por PLC y accionamientos ya sean neumáticos, eléctricos o hidráulicos.

Tipo C o de trayectoria controlable: Que es programable ya sea con trayectorias continuas o punto a punto.

Tipo D o adaptativo: Que es capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando así sus tareas en función de dichos datos. [5]

1.1. Funcionamiento

Un robot Delta tienen como principal objetivo el aumentar la productividad y calidad de los trabajos realizados por los seres humanos y en ciertos casos realizar trabajos que pueden ser tediosos o peligrosos. [5] Espacio de trabajo. El espacio de trabajo está definido por el conjunto de puntos que puede alcanzar el robot alrededor de sí mismo, con base en su configuración y tamaño de sus vínculos y articulaciones de la muñeca. La forma del espacio de trabajo para cada robot es exclusiva, ya que depende de su diseño. El espacio de trabajo se puede subdividir en dos categorías:

Espacio de trabajo alcanzable: Está compuesto por el conjunto de puntos alcanzables por el manipulador.

Espacio de trabajo diestro: Está compuesto por el conjunto de puntos que el manipulador puede alcanzar con una orientación arbitraria de su efector final. [3]

1.2. Aplicaciones Las características del robot delta y modificaciones de este concepto permiten imaginar otras aplicaciones como:

Manufactura personalizada de mosaicos cerámicos.

Empaquetamiento de ampolletas o muestras en la industria farmacéutica.

Trabajo en cuartos limpios. Composición de tabletas de acuarelas. Manipulación de componentes electrónicos. Ensamble de contenedores electrónicos. Ensamble de mecanismos. Desbastado de piezas. Control de objetos ligeros. Rápido control dimensional utilizando al robot

como dispositivo de medición.

Corte por medio de inyección de agua y láser. [5]

1.3. Cinemática directa

Para obtener la cinemática directa es necesario tener los valores de 11, 21 y 31, y con ello encontrar los valores del efector final de la plataforma móvil. OP OA AB BC PC (1)

Y su representación matricial se tiene:

11 21 311 2 11

3

1111 21 31

( )0 0 00 0( )

x

y

z

p bc sr r ac

p bc

asbs sp

(2)

1.4. Cinemática Inversa

El objetivo de la cinemática inversa es conocer los valores de θ11, θ21 y θ31. Para obtener los valores de los ángulos, primero hay que definir las coordenadas del punto

( , , )x y zc c c c para la pierna i =1:

x

y

z

c

c AB BC

c

(3)

11 11 21 31

31

11 11 21 31

( )

( )

x

y

z

c ac bc s

c bc

ac bc sc

(4)

1 1 2 1

1 1

x yx

y x y

z z

p c p c r rc

c p s p c

c p

(5)

2 11 1

1 1

00 0

0 0 1 0

x x

y y

z z

c p r rc s

c s c p

c p

(6)

Igualando ecuaciones (4) y (5) se puede obtener 31 , esto es:

1131 cos yx p

b

p s

(7)



Notar que si el ángulo 1 es igual a cero. Entonces, el

valor de 31 estaría dado por:

131 cos yp

b

(8)

Continuando con la solución del problema de la cinemática inversa, cualquiera de los ángulos 11 ó 21 solo se puede obtener de (4). Se hace esta suma de los cuadrados de , ,x y zc c c para encontrar 21 .

2 2 2 2 231 212x y zc c c a b abs c (9)

Despejando se tiene:

2 2 2 2 21

2131

cos2

x y zc c c a b

abs

(10)

Para obtener el ángulo 11 se suman los cuadrados de

, ,x y zc c c de (4), después de algunas manipulaciones

matemáticas se tiene:

11 11 21 31

11 11 21 31 31

x y zc c c ac bc s

as bs s bc

(11)

La ecuación (9) se puede escribir como:

11 31 11 21

31 11 21 31 31 11

21 31 11 21 11

x y zc c c ac bs c c

bs s s bc bs s

c bs c s as

(12)

Sustituyendo:

211 11

11 112 211 11

s c2 tan 1 tan

2 2 ) os( )1 tan 1 t

2

in

n(a

2

y

En (9), se tiene:

11 12 102

2

Atg Btg C

(13)

Donde:

31 21 31 21 31

31 21 31 21

31 21 31 21 31

2( )( )

x y zA a bs c bs s c c c c

B a bs s bs c

C a bs c bs s bc

(14)

Resolviendo la ecuación (13) se tiene:

2

111 1,2

422

B B ACtg

A

(15)

2. Metodología del diseño

2.1. Requerimientos

Utilizando el método QFD (Quality Function Deployment) se traducen los requerimientos y parámetros principales, así como las características necesarias para así ir acotando el proceso de generación de alternativas de solución. Las especificaciones principales que se deben considerar en el diseño del robot Delta son las siguientes:

El robot debe ser tele-operado desde un ordenador mediante el software NI Labview.

La tele-operación debe de ser de forma inalámbrica.

Los dispositivos electrónicos deben de ser de bajo costo y de fácil uso.

El prototipo debe ser ligero para evitar un alto consumo de energía.

Los dispositivos electrónicos deben de ser de fácil acceso para un mantenimiento futuro.

La comunicación debe ser casi óptima para evitar un mal funcionamiento.

El diseño final debe ser ergonómico según las necesidades futuras que se le asigne.

De esta forma para cumplir con los parámetros de diseño, se decide proponer 3 alternativas y evaluar cada una de ellas, Figura 1. La primera opción se consideró usar motores a paso, comunicación por bluetooth y Arduino como microcontrolador principal. Para la segunda opción: Servos y dispositivos Xbee. En la tercera opción: El microcontrolador Esp-8266 para control y comunicación inalámbrica. De esta forma se evaluaron criterios de diseño para elegir la mejor opción para resolver el problema (Opción 3).



Figura 1 – Matriz QFD

2.2. CAD

Gracias a la relativa facilidad para acceder a las diferentes herramientas computacionales de ingeniería (CAD/ CAM/ CAE), se ha popularizado la implementación de las mismas en los diferentes procesos de desarrollo de un producto, desde su diseño hasta su ensamble; con el fin de reducir riesgos tanto económicos como laborales. Todo esto apoyado con metodologías que incluyen, desde etapas tempranas, planeación de etapas futuras del proceso de diseño de productos, como la manufactura o planeación de la línea de producción y ensamble.

Para este proyecto se decidió ocupar la plataforma de dibujo SOLIDWORKS, al contar con esta se pudo tener un desarrollo estructural y de los elementos a ocupar en la Tabla 1, en este caso específico los servomotores que darán movimiento a nuestro prototipo.

En esta Figura 2. vienen los siguientes elementos constituyentes del prototipo:

Figura 2 – CAD del prototipo

Tabla 1- Materiales.

Elemento Número de elementos

Servomotor MG995 3

Base principal 1

Base del efector final 1

Brazo de movimiento 3

Varillas de eslabón 6

Balancín de movimiento 12

Perno de sujeción 6

Base servomotor 3

2.3. Impresión 3D

De los materiales utilizados para el prototipo se fabricaron algunas piezas en una impresora 3D, esta fue la mejor opción siendo que las piezas no se encuentran como tal en el mercado y las que se encuentran no se adaptan a las necesidades. Son cuatro piezas elementales, los 3 brazos de movimiento y la base del efector final. La resistencia de este material de fabricación es apta para los esfuerzos generados por el robot.

2.4. Movimiento

Para darle funcionalidad a este robot se doto con servomotores MG995. La unidad se completa con un conector de cabezal hembra de 30 cm de cable y 3 pines que encaja la mayoría de los receptores, Este servo estándar de alta velocidad puede girar aproximadamente 120 grados (60 en cada dirección). Puede usar cualquier código de servo, hardware o biblioteca para controlar estos servos. Especificaciones:

• Par de parada: 8.5 kgf · cm (4.8 V), 10 kgf · cm (6 V)

• Velocidad de operación: 0.2 s / 60 ° (4.8 V), 0.16 s / 60 ° (6 V)

• Voltaje de funcionamiento: 4,8 V a 7,2 V



3. Desarrollo

Se diseñó un código en Matlab con las formulas de la cinemática directa e inversa del robot delta para simular la trayectoria de un triángulo en el efector final y poder verificar el correcto funcionamiento del robot al momento de realizar la comunicación entre un ordenador y el mismo prototipo.

El código de este programa realizado en Matlab tiene la

función de simular la trayectoria de movimiento del robot con los parámetros de dimensión configurados al principio del programa y finalmente mostrar el resultado en una gráfica 3D, Figura 3.

Figura 3 – Simulación del robot Delta en Matlab

3.1. Diagrama esquemático

El corazón de este proyecto son los microcontroladores basados en el chip ESP-8266, los cuales han tomado gran importancia los últimos años debido a su bajo costo y que a su vez pueden comunicarse entre ellos y demás dispositivos que soporten el standard IEE-802.11. Existen varias versiones de estos en diferentes presentaciones, además de firmwares para poder utilizarlos. Para este proyecto se eligió trabajar con el modelo ESP-01 para recibir la información de Labview mediante UART serial debido a su pequeño tamaño y bajo costo. Por su parte, el dispositivo receptor es el Nodemcu V1.0 debido a que posee más salidas y que a su vez será el encargado de recibir la información del ESP-01 y la información del control de posición de los servos del robot Delta, Figura (4).

Figura 4 – Esquema principal de conexiones

3.2. Interfaz HMI

Para el control manual y la trayectoria dada, se diseñó una HMI mediante el software NI Labview por su gran flexibilidad al momento de instrumentar y controlar procesos, además de la facilidad de realizar programas complejos por sus extensas librerías de funciones y subrutinas. El panel principal Fig (5), muestra un control de paro general para el modo manual y automático del robot delta.

Figura 5 – Panel frontal de la HMI

El control manual consta de 6 controles para el avance y retroceso de cada uno de los tres servomotores y tres indicadores que muestren al usuario el ángulo actual de cada servo, Figura 6.

Figura 6 – Ventana de control manual

Para el modo automático de la rutina a realizar se empleó la cinemática inversa, donde todas las fórmulas fueron ingresadas a través de una función conocida como Mathscrip. La Figura 7, muestra una ventana donde solicita al usuario arrancar o pausar la operación de trazado y a su vez muestra la posición (Cx,Cy,Cz) del efector final.

Figura 7 – Ventana de control automático



3.3. Algoritmo de comunicación

Para explicar de manera general el funcionamiento del programa realizado en NI Labview se detalla un diagrama de flujo Figura 8. Este programa será el encargado de controlar de manera manual o automática el robot delta.

Figura 8 – Envió de datos

Selector de Mando

Panel principal donde el usuario seleccionara el modo de operación (Manual o Automático). Eventos

6 eventos mediante la función Event Structure para evitar saturación de memoria del ordenador. Envió de datos

Se envía la información para cada uno de los servomotores al microcontrolador de envió (ESP-01). Consignas

Coordenadas del punto final. Cinemática Inversa

Mediante la función Mathscrip se calcula la cinemática inversa para determinar el valor de los ángulos de los 3 servomotores.

Por su parte, la función del microcontrolador (Nodemcu V1.0) Figura 9, será la recepción de información mediante el standard IEE-802.11 y el control de los servomotores

Figura 9 – Recepción de datos

Consignas

Se declaran todas las variables a utilizar Lecturas de datos

Separa el vector de datos leído y los asigna a las variables para cada servomotor Control de servomotores

Se le asigna el ángulo correspondiente para la rutina a realizar o el modo de operación manual.

3.4. Resultados

En la Figura 10, se muestra el comportamiento del robot frente al seguimiento de una trayectoria ejecutada por el prototipo diseñado.

Figura 10 – Trayectoria del robot

4. Conclusión

En este trabajo se muestra el estado del arte de los robots tipo delta, así como algunos conceptos de los mismos, además se presenta el análisis cinemático directo e inverso del robot delta. Este es capaz de realizar trayectorias con movimientos suaves utilizando un programa que se comunica vía wi-fi y teleoperado desde un ordenador con el software LabVIEW. El material discutido y presentado en este trabajo será de gran utilidad para los alumnos y profesores del Tecnológico de Atitalaquia en la mejora de las competencias en temas de mecanismos, robótica, programación avanzada y microcontroladores.

Agradecimientos

Se agradece el apoyo al honorable ayuntamiento de Atitalaquia dirigido por la Profra. María Antonieta y a la Arq. Viridiana por confiar en el proyecto.

REFERENCIAS

[1]Escoto, p.A. (2006). Modelación y simulación cinemática de un robot delta planar tipo rr. (tesis maestría), Mèxico DF.



[2] Michel Felipe Pedraza, P.F. (2015). Aproximación al diseño de robots paralelos, análisis de caso del robot delta. Colombia. [3] Canseco, M. C. (2009). Diseño de un robot paralelo. Mèxico DF.). [4]Meneses Jiménez Xavier Atonatiúh, M.C. (2007). Diseño y Control de un Robot Paralelo. México, D.F. Sexto Congreso Nacional de Mecatrónica.

[5] Diego Edisson Florez Vergara, F.C. (2014). Planeación y ejecución de trayectorias en un robot delta (tesis). Bogotá, d.c.


Desarrollo de una plataforma experimental de un robot...

Documents

Transcript of Desarrollo de una plataforma experimental de un robot...