ROBOTICA INDUSTRIAL: noviembre 2016

martes, 15 de noviembre de 2016

VAREADOR ROBOTICO. (RECOLECTOR DE FRUTAS)

Planteamiento del problema

Problematica.

Para el siguiente proyecto se propone realizar una solucion, para recolectar fruta, de forma robotica, en mini cultivos, lo que se desea es realizar mini cultivos pero con la menor intervención humana posible, otros grupos se les ha asignado robots cultivadores, regadores, sembradores, quien debe realizar el entorno con el control de temperatura así lo requiera según el cultivo, para esto se propone realizar una plataforma robotica, la cual debe desplazarse sobre tierra y recorrer un cultivo en forma lineal, el robot deberá reconocer la fruta según el color, es decir según el color de la fruta que se va a recolectar, se le enviara vía bluetooth dicho color y este lo reconocerá se acercara a esta y la deberá cortar, lógicamente el planteamiento del problema delimita que la fruta debe estar colgando por gravedad, y debe ser de fácil acceso,es decir no esas plantas tipo enredaderas.

Solución a la problemática

Como solución hemos decidido, implementar el principio del brazo humano ya que en la practica esta labor es realizada de forma manual, por esta razón se concluyo en realizar un brazo con 4 grados de libertad y que este este anclado a una plataforma móvil, la cual deberá tener tracción en las 4 ruedas.

El control del robot lo haremos con ayuda de tarjetas de desarrollo como arduino, raspberry pi, launchpad msp430 entre otras y crearemos la interfaz con Matlab o Labview, según los alcances de tiempo podemos utilizar visión artificial y control por wifi.

Morfología.

El robot posee una morfología de tipo angular, 4 grados de libertad, 4 eslabones.

Actuadores:

4 servomotores.

4 moto reductores.

Sensores:

1 sensor de color.

1 sensor de proximidad.

Control

1 placa arduino uno.
1 puente H
1 placa shield para servomotores
Matlab.
1 bluetooth

Funcionamiento

El robot posee dos mandos automático y manual:

Mando Automático:

En este modo el brazo realizar la lógica programada en arduino, en la cual a grandes rasgos según un sensor de color reconocerá el color de la fruta, el sensor de color va ubicado en el elemento terminal, con el fin de que cuando lo reconozca, ejecute la función de cortar cojer la fruta y llevarla a una canasta.

Programa en modo automático.

https://drive.google.com/a/misena.edu.co/file/d/0B83UBNiFWITqX0dDZVAwaVVkX28/view?usp=sharing

Mando Manual: en esta modo sera gobernado por mando bluetooth, el cual posee un control por cada servo y un control para enviar el robot hacia adelante o para atras.

Programa en modo manual.

https://drive.google.com/a/misena.edu.co/file/d/0B83UBNiFWITqSGFjUWlLcjZyUDQ/view?usp=sharing

Este es un robot diseñado para suplir necesidades en la parte de agricultura, cuenta con un elemento terminal en forma de tijera, el robot recorre el camino de los cultivos cortando y recogiendo las frutas de una forma mas fácil y practica.

A partir de un programa elaborado realizado por medio de un arduino uno, se realiza el control de los grados de los servomotores para que el brazo no se estrelle ni se trabe mecánicamente, el robot se ubica en la posición donde se encuentra la fruta, corta el tallo y de hay caen a un recipiente

Brazo robotico, con el elemento terminal cortador.

Plataforma robotica, desplazamiento sobre tierra.

Aplicación android, para control del vareador.

Pista simulación en MATLAB

Matlab.

Para la parte móvil se realizara una programación en matlab con control de velocidad de el recorrido que debera hacer la plataforma, para hacer después una interacción Arduino + Matlab.

https://drive.google.com/a/misena.edu.co/file/d/0B83UBNiFWITqdHR3TzVmY05qZk0/view?usp=sharing

Simulación programación Matlab

Prueba pista mini cultivo

Prueba elemento termina cortando.

Prueba trayectorias brazo.

Denavit-Hartenberg para robots; teoría

El estudio de los parámetros Denavit-Hartenberg (DH) forma parte de todo curso básico sobre robótica, ya que son un estándar a la hora de describir la geometría de un brazo o manipulador robótico. Se usan para resolver de forma trivial el problema de la cinemática directa, y como punto inicial para plantear el más complejo de cinemática inversa.

Los pasos del algoritmo genérico para la obtención de los parámetros DH se detallan a continuación

Numerar los eslabones: se llamará “0” a la “tierra”, o base fija donde se ancla el robot. “1” el primer eslabón móvil, etc.
Numerar las articulaciones: La “1” será el primer grado de libertad, y “n” el último.
Localizar el eje de cada articulación: Para pares de revolución, será el eje de giro. Para prismáticos será el eje a lo largo del cuál se mueve el eslabón.
Ejes Z: Empezamos a colocar los sistemas XYZ. Situamos los $Z_{i-1}$ en los ejes de las articulaciones i, con i=1,…,n. Es decir, $Z_0$ va sobre el eje de la 1ª articulación, $Z_1$ va sobre el eje del 2º grado de libertad, etc.
Sistema de coordenadas 0: Se sitúa el punto origen en cualquier punto a lo largo de $Z_0$ . La orientación de $X_0$ e $Y_0$ puede ser arbitraria, siempre que se respete evidentemente que XYZ sea un sistema dextrógiro.
Resto de sistemas: Para el resto de sistemas i=1,…,N-1, colocar el punto origen en la intersección de $Z_i$ con la normal común a $Z_i$ y $Z_{i+1}$ . En caso de cortarse los dos ejes Z, colocarlo en ese punto de corte. En caso de ser paralelos, colocarlo en algún punto de la articulación i+1.
Ejes X: Cada $X_i$ va en la dirección de la normal común a $Z_{i-1}$ y $Z_i$ , en la dirección de $Z_{i-1}$ hacia $Z_i$ .
Ejes Y: Una vez situados los ejes Z y X, los Y tienen su direcciones determianadas por la restricción de formar un XYZ dextrógiro.
Sistema del extremo del robot: El n-ésimo sistema XYZ se coloca en el extremo del robot (herramienta), con su eje Z paralelo a $Z_{n-1}$ y X e Y en cualquier dirección válida.
Ángulos teta: Cada $\theta_i$ es el ángulo desde $X_{i-1}$ hasta $X_i$ girando alrededor de $Z_i$ .
Distancias d: Cada $d_i$ es la distancia desde el sistema XYZ i-1 hasta la intersección de las normales común de $Z_{i-1}$ hacia $Z_i$ , a lo largo de $Z_{i-1}$ .
Distancias a: Cada $a_i$ es la longitud de dicha normal común.
Ángulos alfa: Ángulo que hay que rotar $Z_{i-1}$ para llegar a $Z_i$ , rotando alrededor de $X_i$ .
Matrices individuales: Cada eslabón define una matriz de transformación:
$^{i-1}\mathbf{A}_i = \left( \begin{array}{ccc|c} \cos \theta_i & -\cos\alpha_i \sin\theta_i & \sin \alpha_i \sin \theta_i & a_i \cos \theta_i \\ \sin \theta_i & \cos \alpha_i \cos \theta_i & -\sin\alpha_i \cos \theta_i & a_i \sin \theta_i \\ 0 & \sin \alpha_i & \cos \alpha_i & d_i \\ \hline 0 & 0 & 0 & 1 \end{array} \right)$
Transformación total: La matriz de transformación total que relaciona la base del robot con su herramienta es la encadenación (multiplicación) de todas esas matrices:
$\mathbf{T} = ^{0}\mathbf{A}_1^{1}\mathbf{A}_2 \cdots^{n-1}\mathbf{A}_n$

Dicha matriz T permite resolver completamente el problema de cinemática directo en robots manipuladores, ya que dando valores concretos a cada uno de los grados de libertad del robot, obtenemos la posición y orientación 3D de la herramienta en el extremo del brazo.

EJEMPLO CON ROBOT FANUC.

Introducción

En este informe se comprobó de forma práctica los temas vistos en clase, esto se hizo ubicando el robot Fanuc en tres posiciones diferentes y se

Tomaron las medidas en coordenadas cartesianas.

Luego se ubicó el diseño del solido en tres dimensiones en la misma posición del laboratorio y se hicieron los cálculos correspondientes con las medidas dadas por el software.

De esta forma hallamos el error y la posición teórica del elemento terminal.

Marco Teórico

Cinemática de un robot

Es el estudio de los movimientos de un robot. En un análisis cinemático la posición, velocidad y aceleración de cada uno de los elementos del robot son calculados sin considerar las fuerzas que causan el movimiento. La relación entre el movimiento y las fuerzas asociadas son estudiadas en la dinámica de robots.

El estudio de la cinemática de manipuladores se refiere a todas las propiedades geométricas y basadas en el tiempo del movimiento. Las relaciones entre los movimientos y las fuerzas y movimientos de torsión que lo ocasionan constituyen el problema de la dinámica. Un problema muy básico en el estudio de la manipulación mecánica se conoce como cinemática directa, que es el problema geométrico estático de calcular la posición y orientación del efector final del manipulador.

Matrices De Rotación

En el espacio del algebra matricial, encontramos el nicho adecuado que contienen todos los ingredientes esenciales, los cuales hacen posible que podamos adentrarnos en la tarea de la descripción de las orientaciones.

Los dos sistemas de referencia arriba mencionados son: OXY y OUV.

El sistema OXY es el de referencia fija, y el sistema OUV es el móvil solidario al objeto.

Marco procedimental

Posición 1

A continuación mostraremos el dato que se obtuvo experimentalmente.

(x¦y)=(210Cm¦176Cm)

Valor teórico del manipulador:

(x¦y)= ((-170,8Cm)¦156,84Cm)

Error dato teórico vs valor real:

Error Y= 156.84 – 176 =53.16 cm

Error X= 170.8 – 210 = 39.2 cm

Calcular∅:

200=-72cos40°-87cos3°-12cos∅

cos∅=342.,03/12

∅=53.05

Error de ∅

Error ∅=53,05-45

Error ∅=8,05

Posición en teach pendant

Modelo # 1

J1 = -14.038

J2 = 7.228

J3 = -7.47

J4 =7.228

J5 =-60.705

J6 = 92.94

R(Y,0)

T(Y,0)

T(Y,25)

T(X,20)

T(Y,50)

R(Z,60)

T(X,63)

T(X,15)

R(Z,-80)

T(X,87)

R(Z,-20)

T(X,15)

ROBOT FANUC U.ECCI

FIGURA 1 COORDENADAS ROBOT FANUC.

FIGURA 2 COORDENADAS ELEMENTO TERMINAL FANUC.

¿Qué es un manipulador industrial?

Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo lógico.

Robot: manipulador automático servo-controlado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectoria variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material.

I. Procedimiento.

Para la ejecución del laboratorio es importante el reconocimiento de la llamada teach pendant.

FIGURA 3 TEACH PENDANT FANUC.

La teach pendant es una terminal que nos permite maniobrar el robot de forma remota, similar a si operaramos un carro a control remoto.

Durante la practica del laboratorio de identifico los grados de libertad y las coordenadas X, Y, Z de cada uno de ellos. Como se mostro en la figura 1 y 2.

FIGURA 4 COORDENADAS BOTONES VERDES.

Con esta terminal se realizó dicha identificación, pero para el funcionamiento del robot este trae un seguridad incluida en la teach pendant la cual es la llamada DEADMAN este sistema de seguridad es vital para el robot ya que si no se tiene oprimido él no trabaja ya que le da a entender al robot que la persona que lo manipula está ausente, o incluso que personal no capacitado lo opere.

FIGURA 5 TEACH PENDANT’S DEADMAN.

Para realizar la manipulación del manipulador es necesario tener oprimido en todo momento el deadman y la tecla SHIFT ya con esto es posible efectuar movimientos en el manipulador. La teach pendant cuenta con 12 botones de los cuales 6 manejan los servomotores principales del manipulador y los otros 6 me manejan las coordenadas del elemento final.

¿Por qué 6 botones para moverlo?

Hablamos de 3 coordenadas x, y, z pero cada una de ellas maneja una parte positiva y una parte negativa, y esto mismo se aplica para el solo elemento terminal.

FIGURA 6 TEACH PENDANT’S SCREEN.

En la figura 6 podemos encontrar la pantalla de salidas digitales en las cuales podemos simular atraves de un 1 y 0, que nuestro gripper se abra y se cierre.

Ya por ultimo en este laboratorio, se realizo un aumento y reducccion de velocidad.

FIGURA 7 TEACH PENDANT’S BOTTOMS.

Ya por ultimo se realizo la modificacion y ajuste del porcentaje de velocidad al que queremos que trabaje el manipulador, como vemos en la figura 7 tenemos dos flechas con el simbolo de % con las cuales ajustamos el porcentaje de velocidad que para efectos de aprendizaje no supera los 1000% aunque el robot puede trabajar a mas. Ademas de esto tenemos un boton de parada y seguro la cual es la tecla HOLD.

MORFOLOGÍA DE LOS ROBOTS INDUSTRIALES

ESTRUCTURA

Un robot está formado por los siguientes elementos: estructura mecánica, transmisiones, actuadores, sensores, elementos terminales y controlador. Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de estos (máquinas herramientas y otras muchas máquinas emplean tecnologías semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con características específicas.

La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía de las extremidades superiores del cuerpo humano, por lo que, en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cintura, hombro, brazo, codo, muñeca, etc.

MANIPULADOR

Mecánicamente, es el componente principal. Está formado por una serie de elementos estructurales sólidos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos.

Las partes que conforman el manipulador reciben, entre otros, los nombres de: cuerpo, brazo, muñeca y actuador final (o elemento terminal). A este último se le conoce habitualmente como aprehensor, garra, pinza o gripper.

Controlador

Como su nombre indica, es el que regula cada uno de los movimientos del manipulador, las acciones, cálculos y procesado de la información. El controlador recibe y envía señales a otras máquinas-herramientas (por medio de señales de entrada/salida) y almacena programas.

Existen varios grados de control que son función del tipo de parámetros que se regulan, lo que da lugar a los siguientes tipos de controladores:

posición: el controlador interviene únicamente en el control de la posición del elemento terminal;
cinemático: en este caso el control se realiza sobre la posición y la velocidad;
dinámico: además de regular la velocidad y la posición, controla las propiedades dinámicas del manipulador y de los elementos asociados a él;
adaptativo: engloba todas las regulaciones anteriores y, además, se ocupa de controlar la variación de las características del manipulador al variar la posición

Otra clasificación de control es la que distingue entre control en bucle abierto y control en bucle cerrado.

El control en bucle abierto da lugar a muchos errores, y aunque es más simple y económico que el control en bucle cerrado, no se admite en aplicaciones industriales en las que la exactitud es una cualidad imprescindible. La inmensa mayoría de los robots que hoy día se utilizan con fines industriales se controlan mediante un proceso en bucle cerrado, es decir, mediante un bucle de re alimentación. Este control se lleva a cabo con el uso de un sensor de la posición real del elemento terminal del manipulador. La información recibida desde el sensor se compara con el valor inicial deseado y se actúa en función del error obtenido de forma tal que la posición real del brazo coincida con la que se había establecido inicialmente

Principales características de los Robots.

Grados de libertad (GDL)

Cada uno de los movimientos independientes (giros y desplazamientos) que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. Son los parámetros que se precisan para determinar la posición y la orientación del elemento terminal del manipulador. El número de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen. Puesto que las articulaciones empleadas suelen ser únicamente de rotación y prismáticas, con un solo grado de libertad cada una, el número de GDL del robot suele coincidir con el número de articulaciones que lo componen.

Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres para la orientación, si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con él la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisará al menos seis grados de libertad.

En la imagen se muestra el esquema de un robot de estructura moderna con 6 GDL; tres de ellos determinan la posición del aprehensor en el espacio (q1, q2 y q3) y los otros 3, la orientación del mismo (q4, q5 y q6).

Un mayor numero de grados de libertad conlleva un aumento de la flexibilidad en el posicionamiento del elemento terminal. Aunque la mayoría de las aplicaciones industriales requieren 6 GDL, como las de la soldadura, mecanizado y paletización, otras más complejas requieren un número mayor, tal es el caso en las labores de montaje. Si se trabaja en un entorno con obstáculos, el dotar al robot de grados de libertad adicionales le permitirá acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las que, como consecuencia de los obstáculos, no hubieran llegado con seis grados de libertad. Otra situación frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando así el volumen del espacio al que puede acceder. Tareas más sencillas y con movimientos más limitados, como las de la pintura y paletización, suelen exigir 4 o 5 GDL.

Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para realizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante.

Observando los movimientos del brazo y de la muñeca, podemos determinar el número de grados de libertad que presenta un robot. Generalmente, tanto en el brazo como en la muñeca, se encuentra un abanico que va desde uno hasta los tres GDL. Los grados de libertad del brazo de un manipulador están directamente relacionados con su anatomía o configuración.

Las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de libertad, definen la zona de trabajo del robot, característica fundamental en las fases de selección e implantación del modelo adecuado.

La zona de trabajo se subdivide en áreas diferenciadas entre sí, por la accesibilidad especifica del elemento terminal (aprehensor o herramienta), es diferente a la que permite orientarlo verticalmente o con el determinado ángulo de inclinación.

También queda restringida la zona de trabajo por los limites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones.

VOLUMEN DE TRABAJO.

El volumen de trabajo de un robot se refiere únicamente al espacio dentro del cual puede desplazarse el extremo de su muñeca. Para determinar el volumen de trabajo no se toma en cuenta el actuador final. La razón de ello es que a la muñeca del robot se le pueden adaptar grippers de distintos tamaños.

Para ilustrar lo que se conoce como volumen de trabajo regular y volumen de trabajo irregular, tomaremos como modelos varios robots.

	El robot cartesiano y el robot cilíndrico presentan volúmenes de trabajo regulares. El robot cartesiano genera una figura cúbica.
	El robot de configuración cilíndrica presenta un volumen de trabajo parecido a un cilindro (normalmente este robot no tiene una rotación de 360°)
	Por su parte, los robots que poseen una configuración polar, los de brazo articulado y los modelos SCARA presentan un volumen de trabajo irregular.

Capacidad de carga

El peso, en kilogramos, que puede transportar la garra del manipulador recibe el nombre de capacidad de carga. A veces, este dato lo proporcionan los fabricantes, incluyendo el peso de la propia garra.

En modelos de robots indústriales, la capacidad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg. y 0.9Kg. La capacidad de carga es una de las características que más se tienen en cuenta en la selección de un robot, según la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es común precisar capacidades de carga superiores a los 50kg.

Velocidad

Se refiere a la velocidad máxima alcanzable por el TCP o por las articulaciones. En muchas ocasiones, una velocidad de trabajo elevada, aumenta extraordinariamente el rendimiento del robot, por lo que esta magnitud se valora considerablemente en la elección del mismo.

En tareas de soldadura y manipulación de piezas es muy aconsejable que la velocidad de trabajo sea alta. En pintura, mecanizado y ensamblaje, la velocidad debe ser media e incluso baja.

Tipo de actuadores

Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser, según la energía que consuman, de tipo olehidráulico, neumático o eléctrico.

Los actuadores de tipo olehidráulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y grandes capacidades de carga. Dado el tipo de energía que emplean, se construyen con mecánica de precisión y su coste es elevado. Los robots hidráulicos se diseñan formando un conjunto compacto la central hidráulica, la cabina electrónica de control y el brazo del manipulador.

La energía neumática dota a sus actuadores de una gran velocidad de respuesta junto a un bajo coste, pero su empleo está siendo sustituido por elementos eléctricos.

Los motores eléctricos, que cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el campo de la Robótica, por su gran precisión en el control de su movimiento y las ventajas inherentes a la energía eléctrica que consumen.