DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO – LUIS CHAMORRO ACOSTA

Introducción

Este trabajo de investigación está destinado al estudio de la robótica, específicamente del diseño y construcción de un brazo robótico, se basa en información recopilada en diferentes publicaciones de internet, libros y datos obtenidos mediante la experimentación.

La información la he estructurado de tal manera que comprende los conceptos generales y datos técnicos, que durante la investigación fueron identificados como los más importantes.

Durante el desarrollo del trabajo de investigación se identificaron tres aspectos, como los más importantes en la construcción de un robot: efectores, sensores y programación del robot.

Antecedentes

El concepto de máquinas automatizadas se remonta a la antigüedad, con mitos de seres mecánicos vivientes. Los autómatas, o máquinas semejantes a personas, ya aparecían en los relojes de las iglesias medievales, y los relojeros del siglo XVIII eran famosos por sus ingeniosas criaturas mecánicas

El primer auténtico controlador realimentado fue el regulador de Watt, inventado en 1788 por el ingeniero británico James Watt. Este dispositivo constaba de dos bolas metálicas unidas al eje motor de una máquina de vapor y conectadas con una válvula que regulaba el flujo de vapor. A medida que aumentaba la velocidad de la máquina de vapor, las bolas se alejaban del eje debido a la fuerza centrífuga, con lo que cerraban la válvula. Esto hacía que disminuyera el flujo de vapor a la máquina y por tanto la velocidad.

Sistema de fabricación diseñado con el fin de usar la capacidad de las máquinas para llevar a cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres humanos, y para controlar la secuencia de las operaciones sin intervención humana. El término automatización también se ha utilizado para describir sistemas no destinados a la fabricación en los que dispositivos programados o automáticos pueden funcionar de forma independiente o semi-independiente del control humano. En comunicaciones, aviación y astronáutica, dispositivos como los equipos automáticos de conmutación telefónica, los pilotos automáticos y los sistemas automatizados de guía y control se utilizan para efectuar diversas tareas con más rapidez o mejor de lo que podría hacerlo un ser humano.

Los robot ya han sido clasificados por investigadores dedicados a la materia y esta es su clasificación desde el año 1982 hasta el año 2010

La maquinaria para la automatización rígida dio paso al robot con el desarrollo de controladores rápidos, basados en el microprocesador, así como un empleo de servos en bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posición real de los elementos del robot y establecer el error con la posición deseada. Esta evolución ha dado origen a una serie de tipos de robots.

Problema de la investigación

Muchas veces en las industrias hay acciones de trabajo donde prevalece situaciones de peligro para los trabajadores por ejemplo: El proceso de fundición en matriz, implica un considerable peligro si salpica el metal caliente durante el inyectado en la cavidad del dado.

Objetivos

• Diseñar un brazo de robot industrial de 6 grados de libertad para realizar trabajo de soldadura

• Determinar los materiales adecuados para su fabricación

Específicos

• Determinar los aspectos a tomar en consideración para diseñar y construir un brazo robótico.

• Diseñar la estructura del robot, de tal forma que los mecanismos motores se puedan acoplar adecuadamente.

• Diseñar un sistema de control, que interactué con los sensores y manipule los mecanismos motores del robot.

• Diseñar y desarrollar el software que controle al robot, y que permita que éste pueda ser programado para ejecutar ciertas tareas.

• Ensamblar los distintos componentes para que el robot pueda funcionar adecuadamente, basándose en el diseño elaborado.

Hipótesis.

Anatomía del robot

La anatomía del robot se refiere a la construcción física del robot (cuerpo, brazo, muñeca). En el caso del brazo robótico, los movimientos relativos entre los diversos componentes del cuerpo, brazo y muñeca son proporcionados por una serie de articulaciones. El efector final del robot no se considera como parte de la anatomía del robot.

Para diseñar un robot de soldadura se necesita una base giratoria, un motor en el “codo”, un motor en el “hombro”, dos motores en la "muñeca", uno para mover de arriba a abajo y otro para la rotación de izquierda a derecha y un sexto motor en la pinza de manipulación, se deberá buscar e informar los tipos de materiales a adecuados para la resistencia al calor.

Justificación

En la actualidad la soldadura manual dedica mucho tiempo a la manipulación de los elementos de protección y utiliza demasiado tiempo en el cambio de posición de trabajo. Dado lo anterior se propone un diseño de robot qué elimine tiempos improductivos en el uso de elementos de protección. Minimice tiempos de movimiento de operación. Que haga excelentes cordones continuos y mejore la presentación de los cordones de soldadura.

El diseño y programación de robots para realizar trabajos determinados redundaría en ahorro económico.

Marco de referencia

El brazo del robot industrial está compuesto por cuatro rodillos, uno de ellos gira en torno a los ejes X - Y, y los tres rodillos restantes que componen el brazo giran en torno a los ejes Z - X. Este brazo funciona mediante un motor paso a paso

Motor paso a paso (Bipolar): Características y funcionamiento.

Como todo motor, el motor paso a paso es un conversor electromecánico, que transforma la energía eléctrica en mecánica; pero de un modo distinto a como lo hace un motor de C. C. (corriente continua).

Mientras que un motor convencional gira libremente al aplicar una tensión comprendida dentro de ciertos límites; el motor paso a paso está concebido de tal manera que gira un determinado ángulo proporcional a la "codificación" de tensiones aplicadas a sus entradas (4, 6, etc.). La posibilidad de controlar en todo momento esta codificación permite realizar desplazamientos angulares lo suficientemente precisos, dependiendo el ángulo de paso (o resolución angular) del tipo de motor (puede ser tan pequeño como 1,80º hasta unos 15º).

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están energizadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

Principio de funcionamiento del motor paso a paso (Bipolar).

Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Entonces el motor paso a paso dependiendo de los impulsos electromagnéticos que reciba, este hará mover al brazo robot un cierto ángulo de giro.

Dinámica del brazo del robot

La dinámica del robot trata la formulación matemática de las ecuaciones del movimiento del brazo. Las ecuaciones dinámicas de movimiento de un manipulador son un conjunto de ecuaciones matemáticas que describen la conducta dinámica del mismo. El modelo dinámico real de un brazo se puede obtener de leyes físicas conocidas como las leyes de Newton y la mecánica Lagrangiana. Para modelar un sistema como el de un brazo robótico, se deben desarrollar ecuaciones dinámicas de movimiento para las distintas articulaciones del mismo, en términos de los parámetros geométricos e inerciales especificados para los distintos elementos.

Inteligencia del robot

El problema de planificar los movimientos de una tarea pre-especificada a un robot, y controlarlo cuando ejecuta las órdenes especificadas, se resuelve equipándolo con sensores y/o mecanismos de control, con un conjunto de acciones primitivas que puede realizar en algún —mundo“ o sistema fácil de comprender tanto para el robot como para el programador. Para esto se especifica y anticipa un conjunto de estados en los cuales se puede encontrar el robot, y cada acción del mismo puede provocar el cambio de un estado a otro, o cambiar la configuración del mundo que lo rodea a otra.

Es importante tomar en cuenta lo anterior, ya que las acciones que ejecuta el robot pueden provocar cambios en el mundo que lo rodea. La inteligencia permite que el robot tenga la capacidad para poder decidir el curso de acción a seguir para que pueda alcanzar el objetivo o tarea que se le planteó.

Para esto, se propone un sistema de control, constituido por el software o programa de computadora, que se utilizará para planificar los movimientos del robot. Este programa con base a la tarea que el usuario asigne al robot, realizará

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