BRAZO ROBÓTICO DE 5 GDL

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBOTICO DE 5 GRADOS

DE LIBERTAD

ALEX FERNANDO TOVAR YESICA GUZMAN PEREZ JIMMY CASTRO GOMEZ

JESUS ANTONIO ANGARITA OSCAR MANUEL DUQUE SUEREZ

Universidad de Pamplona

Villa del Rosario, Norte de Santander,

Colombia.

Tel.: 57-7-5685303, Fax: 57-7-5685303, Ext.

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ABSTRACT

The objective of this project is to develop the kinematic model; the control and using a computer simulation of a robotic arm 5 degrees of freedom.

For this purpose, has designed and implemented a program in Matlab.

The operation of the program consists of the following steps: the user sends a command through the pc, and the handler makes the sequence depending on the application that the user has given.

They have developed a complete kinematic model of the robotic arm. On one hand, the problem has been solved kinematics through Denavit-Hartenberg algorithm. On the other hand, inverse kinematics resolved through geometric methods.

For communication between the robot

and the PC USB cable used to be a communication card using a pic 18f2550 to control the motors.

The final purpose is to obtain a robotic arm 5 degrees of freedom, with a method of control and user-friendly simulation.

RESUMEN

El objetivo de este proyecto es el desarrollo del modelo cinemático, el control y la simulación mediante un ordenador de un brazo robótico de 5 grados de libertad. Para ello, se ha diseñado e implementado un programa en Matlab. El funcionamiento del programa consta de los siguientes pasos: el usuario manda una orden a través del pc, y el manipulador hace la secuencia dependiendo de la aplicación que le haya dado el usuario. Se ha elaborado el modelo cinemático completo del brazo robótico. Por un lado, el problema de la cinemática directa ha sido solucionado a través del algoritmo de Denavit-Hartenberg. Por otro lado, se ha resuelto la cinemática inversa a través de métodos geométricos. Para la comunicación entre el robot y el pc se usó un cable USB que va a una tarjeta de comunicación que utiliza un pic 18f2550 para el control de los motores. El propósito final es la obtención de un brazo robótico de 5 grados de libertad, con un método de control y simulación de fácil manejo.

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MARCO TEORICO

Morfología de los Manipuladores Los manipuladores están formados por los siguientes elementos: estructura mecánica, transmisiones, sistema de accionamiento, sistema de sensores, sistema de control y elementos terminales. TIPOS DE ROBOT

Los robots son entidades virtuales o mecánicas que se utilizan para la realización de trabajos automáticos y son controlados por medio de computadoras. A grandes rasgos se puede hablar de los siguientes:

Androides: estos artilugios se parecen y actúan como si fueran seres humanos. Este tipo de robots no existen en la realidad, por lo menos por el momento, sino que son elementos ficcionales.

Móviles: estos robots cuentan con orugas, ruedas o patas que les permiten

desplazarse de acuerdo a la programación a la que fueron sometidos. Estos robots cuentan con sistemas de sensores, que son los que captan la información que dichos robots elaboran. Los móviles son utilizados en instalaciones industriales, en la mayoría de los casos para transportar la mercadería en cadenas de producción así como también en almacenes. Además, son herramientas muy útiles para investigar zonas muy distantes o difíciles de acceder, es por eso que en se los utiliza para realizar exploraciones espaciales o submarinas.

Industriales: los robots de este tipo pueden ser electrónicos o mecánicos y se los utiliza para la realización de los procesos de manipulación o fabricación automáticos. También se les llama robots industriales a aquellos electrodomésticos que realizan simultáneamente distintas operaciones.

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Médicos: bajo esta categoría se incluyen básicamente las prótesis para disminuidos físicos. Estas cuentan con sistemas de mando y se adaptan fácilmente al cuerpo. Estos robots lo que hacen es suplantar a aquellos órganos o extremidades, realizando sus funciones y movimientos. Además existen robots médicos destinados a la realización de intervenciones quirúrgicas.

Teleoperadores: estos robots son controlados de manera remota por un operador humano. A estos artilugios se los utiliza en situaciones extremas como la desactivación de una bomba o bien, para manipular residuos tóxicos.

De acuerdo a su arquitectura, los robots pueden clasificarse en:

Poliarticulados: si bien estos pueden

tener de diversas configuraciones, lo que tienen en común estos robots es que son sedentarios. Estos son diseñados para mover sus terminales con limitada libertad y de acuerdo a ciertos sistemas de coordenadas. Estos robots son ideales para cuando se precisa abarcar una amplia zona de trabajo.

Móviles: a diferencia de los anteriores, estos han sido diseñados para desplazarse, ya sea utilizando un sistema locomotor rodante o bien, mediante plataformas o carros. Estos se trasladan utilizando sensores que reciben información del entorno o bien, por telemandos.

Androides: estos robots buscan imitar de manera parcial o total la el comportamiento y forma del ser humano. Como no están prácticamente desarrollados se los usa para la experimentación y el estudio.

Zoomórficos: la locomoción de estos robots imita a la de distintos animales y se los puede dividir en caminadores y no caminadores. Estos últimos están aún muy poco desarrollados mientras que los caminadores sí lo están y resultan útiles para la exploración volcánica y espacial.

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DISEÑO DEL ROBOT DE 5 GRADOS DE LIBERTAD

Fig. Diseño en AutoCAD del brazo robótico de 5gdl

BASE DEL ROBOT

PRIMER ESLABON EN EL ENSABLE EN LA BASE

SEGUNDOS ESLABONES

TERCER ESLABONES

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CUARTO ESLABON

Las piezas del robot se realizaron en acrílico de 3mm, y el corte de cada una de las piezas se hizo en corte a laser.

Y el robot real quedo de la siguiente forma

Tabla NGDL

Esquema con las dimensiones de los eslabones

De una forma sencilla se muestra el ensamble y el modelo de las piezas del robot así como de los motores utilizados,

los servomotores utilizados fueron de 3 tipos:

HS-311 Muñeca, pinza y base

Hitec® HS-322HD (utilizado en el hombro)

Hitec® HS-422 rotación de la

muñeca

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CINEMÁTICA En este apartado analizaremos el movimiento del robot con respecto a un sistema de referencia situado en la base. Obtendremos una descripción analítica del movimiento espacial y, en particular, de la posición y orientación del extremo final del robot. Tenemos dos problemas a resolver en cuanto a la cinemática del brazo robótico:

Cinemática directa: determinar la posición y orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas de referencia, conocidos los valores de las articulaciones.

Cinemática inversa: determinar la

configuración que debe adoptar el robot para una posición y orientación del extremo conocidas.

Para solucionar el primer problema se utilizará el Algoritmo de Denavit-Hartenberg. De esta forma, se obtiene la posición del extremo del robot a partir de los valores de los ángulos del mismo. Para solucionar el problema de la cinemática inversa se ha optado por el método de la matriz de transformación homogénea. Así, se puede determinar los diferentes valores de los ángulos de los ejes del robot para conseguir posicionar su extremo en un punto del espacio establecido por el usuario.

Esquemático de los ejes de acuerdo a

las reglas Denavit

Parámetros Denavit-Hartenberg

Para la obtención de los parámetros se ha tenido en cuenta las 14 reglas Denavit

Ahora, una vez calculador los parámetros de Denavit-Hartenberg, podemos calcular las matrices de transformación de un sistema a otro. A continuación se muestran los resultados obtenidos:

Articulación θ d a α 1 q1 d1 0 -90 2 q2 0 d2 0 3 q3 0 d3 0 4 q4-90 0 d4 -90 5 q5 d5 0 0

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Para obtener la matriz de transformación (T) entre la base y el extremo del robot hay que multiplicar por las diferentes matrices de transformación entre el sistema 0 y el sistema 6. Se procedería de la siguiente forma:

Entonces la matriz de transformación homogénea quedaría de la siguiente forma

(1,1)=

(1,2)=

(1,3)=

(1,4)=

(2,1)=

(2,2)=

(2,3)=

(2,4)=

(3,1)= (3,2)= (3,3)= (3,4)=

(4,1)=0

(4,2)=0

(4,3)=0

(4,4)=1

Cinemática Inversa

El objetivo del problema cinemática inverso consiste en encontrar los valores que deben adoptar las coordenadas articulares del robot q = [q1, q2, q3, q4, q5]T para que su extremo se posicione y oriente según una determinada

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localización espacial.

Vista lateral del robot para hallar q2, q3, q4

√

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FOTOS EN EL DESARROLLO DEL BRAZO ROBOTICO DE 5 GDL

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TRAYECTORIA DEL BRAZO ROBOTICO

la trayectoria de nuestro robot consiste

en transportar cajas en una linea de

produccion. una banda transportadora

"llega" a la plataforma de trabajo del

robot y el robot las sujeta y las lleva a los

extremos de la plataforma para

continuar con la linea de producción.

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BIBLIOGRAFIA

https://sites.google.com/site/proyectosroboticos/cinematica-inversa-

iii http://www.tiposde.org/general/46

0-tipos-de-robots/ [BARRIENTOS, 1997] A.

Barrientos, L.F. Peñin, C. Balaguer, R. Aracil (1997), Fundamentos de robótica, Ed. Mc Graw-Hill [FU, 1988] Fu K.S (1988), Robótica : control, detección, visión e inteligencia, Madrid: McGraw-Hill Mendonza Sánchez Eduardo Augusto, “Control de un Robot

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Educativa Valladolid II, “Curso 2007: Fundamentos de Robótica”, Valladolid, España.

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Cid Cifuentes Karina Pilar; “Implementación de Robot Scorbot er-vplus, para docencia, en realidad virtual”, Revista Digital Universitaria UNAM, Mayo 2007, Volumen 8 Número 5, ISSN: 1067-6079.