Diseño y desarrollo de un manipulador robótico de 3 grados de libertad

Briceño Posada José Eduardo, Ríos García Miguel Angel, Tarazona Calixto Hayrold Edison

Estudiantes de Pregrado UNAC–Perú [1523220823,1523210747,1523210157]@unac.pe

Manipulador robótico de 3 grados de libertad con visor de imágenes RGB

Abstract— The project consists of 3 degrees of freedom robotic arm which can differentiate objects of 3 basic colors (Red,Green,Blue) through the use of a WebCam and MATLAB’s image Acquisition ToolBox and place them into a predefined place, using servomotors for their motion.

The webcam takes a picture of the determinate area and then that image is analyzed in MATLAB, divided into rectangular coordinates, and then by processing RGB images we can determine where each object is located, once we know the position it is time to transform this in motion, by previously finding the parameters of Denavit-Hartenberg we can know the position of the robotic arm and move it through the servos using an Arduino card.

Palabras Clave:

Arduino, Autómatas, Cinemática de manipuladores, Dinámica de manipuladores, Imágenes RGB, Grado de libertad, Prototipo, Robot manipulador.

 I.  INTRODUCCIÓN

El mundo va en constante cambio, y el hombre, en su afán de conseguir mayor comodidad y productividad, siempre está innovando en cuanto a la automatización de los procesos industriales. Una de estas innovaciones la constituye el campo de la electrónica; y una rama de ésta es la robótica industrial, es un campo amplio para el desarrollo de nuevas ideas, en el cual la variedad de aplicaciones que tienen los manipuladores es bastante diversa y que día a día busca optimizar y automatizar los procesos de manufacturación, haciendo más fácil y segura la vida del ser humano.

Durante los últimos cincuenta años, la robótica no sólo ha incursionado en la industria, centros de investigación, universidades y hospitales, actualmente existen fábricas completamente automatizada mediante robots manipuladores. Hoy en día, la robótica es tan familiar que se pueden encontrar robots en el hogar realizando tareas domésticas. No obstante, se considera como un área joven en constante crecimiento. [1]

La robótica es una disciplina científica que aborda la investigación y desarrollo de una clase particular de sistemas mecánicos, denominados robots manipuladores, diseñados para realizar una amplia variedad de aplicaciones industriales, científicas, domésticas y comerciales. La naturaleza multidisciplinaria de la robótica permite involucrar una gran cantidad de áreas del conocimiento tales como matemáticas, física, electrónica, computación, visión e inteligencia artificial, entre otros. [2]

Teniendo en cuenta el amplio conocimiento con el que se cuenta en el área de la electrónica se desarrolló un prototipo de brazo robótico de 3 grados de libertad (3GDL), que es guiado a través de una cámara de videos para localizar objetos en el espacio de trabajo. El proyecto cuenta con dos áreas de desarrollo específicas como lo son el área mecánica y electrónica; el área mecánica se empleó para la simulación y diseño para la fabricación de las piezas para el prototipo y posteriormente se llevaron a físico, y el área de la electrónica se desarrolló a través del programa MatLAB, luego fue simulado en el entorno de Proteus para finalmente llevar a cabo el hardware en él.

Las principales herramientas matemáticas a utilizar para la implementación de nuestro prototipo abordan temas como: Cinemática de los robots, matrices de transformación homogénea y dinámica de los robots.

Para poder poner en funcionamiento nuestro robot manipulador de 3 grados de libertad (3GDL) debemos solucionar ciertos problemas cinemáticos: El problema cinemático directo  y el problema cinemático inverso.

Dado que un robot se puede considerar como una cadena cinemática formada por objetos rígidos o eslabones unidos entre sí mediante articulaciones, se puede establecer un sistema de referencia fijo situado en la base del robot y describir la localización de cada uno de los eslabones con respecto a dicho sistema de referencia. De esta forma, el problema cinemático directo se reduce a encontrar una matriz homogénea de transformación T que relacione la posición y orientación del extremo del robot respecto del sistema de referencia fijo situado en la base del mismo. Esta matriz T será función de las coordenadas articulares. [3]

Así como es posible abordar el problema cinemático directo de una manera sistemática a partir de la utilización de matrices de transformación homogéneas, e independiente de la configuración del robot, no ocurre lo mismo con el problema cinemático inverso, siendo el procedimiento de obtención de las ecuaciones fuertemente dependiente de la configuración del robot. El objetivo del problema cinemático inverso consiste en encontrar los valores que deben adoptar las coordenadas articulares del robot para que su extremo se posicione y oriente según una determinada localización espacial. [4]

En cuanto a la visión computarizada, se utilizó el procesamiento de imágenes RGB, guiado mediante una cámara de vídeos, programado a través de MatLAB, éste almacena las imágenes como vectores bidimensionales (matrices), en el que cada elemento de la matriz corresponde a un sólo pixel.

La Visión por Computadora, la tarea de esta disciplina es utilizar computadoras para emular la visión humana, incluyendo el aprendizaje, hacer inferencias y actuar basándose en entradas visuales. La Visión Computacional es, claramente, un área de la Inteligencia Artificial. [5]

El objetivo fundamental del presente trabajo es el diseño, fabricación, ensamblaje y control informático de un robot manipulador de 3 grados de libertad (3GDL), que tenga un coste reducido gracias tanto al sistema de fabricación empleado como a los medios de programación a los que se recurra, cuya función principal consiste en la ubicación y manipulación de objetos en su espacio de trabajo.  Son objetivos secundarios del trabajo: -Comprender el papel del modelo cinemático y del control cinemático en los robots manipuladores, y aplicar esos conocimientos a un brazo robótico articulado. –Adaptar nuestro prototipo a un robot móvil cuya función de éste se incremente considerablemente, ya que obtendríamos robots manipuladores móviles. -Adquirir conocimientos de programación para el funcionamiento del robot tanto a nivel usuario como a nivel desarrollador.

II. DESARROLLO

Descripción del prototipo, el robot a diseñar es del tipo manipulador robótico industrial. Inicialmente será diseñado para que cumpla funciones de posicionamiento, a medida que avance la investigación se irá añadiendo la capacidad de carga, descarga, manipulación y traslado de objetos; y finalmente pueda ser adaptado para que realice otras aplicaciones como pintura y soldadura, entre otras. Como se mencionó anteriormente, el robot será del tipo manipulador, y contará con tres eslabones y tres grados de libertad (movimiento que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior). Cada uno de los grados de libertad será una articulación del tipo rotacional (o rotativa).

Diseño geométrico, uno de los requerimientos es que el robot manipulador sea fácilmente transportable, y no requiera de una instalación propia y específica para su funcionamiento. En la Fig. 1 se muestra un esquema con las medidas generales del robot manipulador propuesto.

[pic 1]

Fig. 1: Esquema del robot manipulador. Fuente: [6]

Herramientas matemáticas para la localización espacial

Descripción de posición y orientación: En el estudio de la robótica nos preocupamos constantemente por la ubicación de los objetos en el espacio tridimensional. Estos objetos son los vínculos del manipulador, las piezas y herramientas con las que trabaja y los demás objetos en el entorno del manipulador. A un nivel básico pero importante, estos objetos se describen mediante sólo dos atributos: posición y orientación. Naturalmente, un tema de interés inmediato es la manera en la que representamos estas cantidades y las manipulamos matemáticamente. [7]

Cinemática de los robots

El modelo cinemático estudia el movimiento del robot respecto a un sistema de referencia fijo. La cinemática directa consiste en determinar cuál es la posición y orientación del extremo del robot dados los valores de las articulaciones y parámetros geométricos de los elementos del robot.

La cinemática inversa resuelve la configuración que debe adoptar el robot para llevarlo a una posición y orientación conocida. [8]

Parámetro de Denavit-Hartenberg es un algoritmo que permite la obtención del modelo cinemático directo. El cual es un método matricial sistemático que permite establecer sistemas de coordenadas ligados a cada eslabón de un mecanismo, para así determinar la cinemática completa del mismo. [9]

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