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BRAZO DE ROBOT
Francisco Javier Martínez Serrano, Gloria Victoria Alférez Gutiérrez, Juan Antonio Castellano Rodríguez, Mario Enrique De
Regil Hernández, María Guadalupe Meza Anguiano, Jorge Valentín Zuñiga Moreno, Alma Adriana Camacho Pérez Rubén
Olalde, Daniel Tristán Esquivel.
Universidad Tecnológica de León
Blvd.. Universidad Tecnológica No. 225 C. P. 37670, León, Gto.
Universidad Tecnológica de León
e-mail: [email protected]
[email protected]
RESUMEN
En este trabajo se aplican conceptos fundamentales para el diseño cinemático de un mecanismo 1. El propósito
del mismo es proponerlo como prototipo didáctico a instituciones educativas donde pueda utilizarse para
facilitar las demostraciones que se puedan realizar con él, debido a que es un sistema mecatrónico que
involucra diferentes disciplinas como mecánica, eléctrica, electrónica e informática.
INTRODUCCIÓN
Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imiten las partes del cuerpo humano. Los antiguos
egipcios unieron brazos mecánicos a las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por sacerdotes,
quienes clamaban que el movimiento de estos era inspiración de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas
que operaban con sistemas hidráulicos, los cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los templos 2.
La palabra checa ‘Robota’ significa servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al inglés se
convirtió en el término robot.
Entre los escritores de ciencia ficción, Isaac Asimov contribuyó con varias narraciones relativas a robots,
comenzó en 1939, a él se le atribuye el acuñamiento del término Robótica. La imagen de robot que aparece en
su obra es el de una máquina bien diseñada y con una seguridad garantizada que actúa de acuerdo con tres
principios. Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Robótica, y son:
1.- Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inacción, que un ser humano sufra daños.
2.- Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos, salvo que estén en conflictos con la
primera ley.
3.- Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en conflicto con las dos primeras leyes.
El uso de robots industriales junto con los sistemas de diseño asistidos por computadora (CAD), y los
sistemas de fabricación asistidos por computadora (CAM), son la última tendencia en automatización de los
procesos de fabricación. Éstas tecnologías conducen a la automatización industrial a otra transición, de
alcances aún desconocidos.
En la actualidad el uso de los robots industriales está concentrado en operaciones muy simples, como tareas
repetitivas que no requieren tanta precisión. Un robot industrial es un máquina programable de uso general
que tiene algunas características antropomórficas o ¨humanoides¨. Las características humanoides más típicas
de los robots actuales es la de sus brazos móviles, los que se desplazarán por medio de secuencias de
movimientos que son programados para la ejecución de tareas de utilidad.
La definición oficial de un robot industrial se proporciona por la Robotics Industries Association (RIA),
anteriormente el Robotics Institute of America.
"Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable diseñado para desplazar materiales,
piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos variables programados para la
ejecución de una diversidad de tareas".
Marco teórico.
Mecánico.
Para la realización de la parte mecánica de nuestro prototipo fundamentamos nuestro estudio en las siguientes
leyes de la Mecánica:
Ley de Grashof. Esta ley señala que si la suma de las longitudes del eslabón más largo y del más corto es
menor que la suma de las longitudes de los otros dos, se forman:
o Dos balancines de manivela distintos cuando el eslabón más corto es la manivela y cuando
cualquiera de los otros dos eslabones es el eslabón fijo.
o Una doble manivela cuando el eslabón más corto es el fijo.
o Un doble balancín cuando el eslabón opuesto al más corto es el fijo.
Además, si la suma de las longitudes de los eslabones más largo y más corto es mayor que la suma de las
longitudes de los otros dos, solamente se pueden producir mecanismo de doble balancín. También, si la suma
de los eslabones más largo y más corto es igual a las suma de los otros dos, los cuatro mecanismos posibles
son semejantes a los descritos anteriormente en los incisos 1, 2 y 3.
Bandas
Es un elemento mecánico muy flexible utilizado para transmitir potencia cuando existen poleas unidas a
flechas o ejes. Su apariencia es la de una línea unida extremo con extremo, con una sección trasversal que
varía según sea su tipo están elaboradas de alambres con caucho a su alrededor, son más resistentes, durables
y permiten tener una trasmisión poco ruidosa y libre de patinajes, a estas se les puede añadir una capa de
fibras sintéticas bañadas en caucho para protegerlas
Banda dentada
Cuando se necesita una transmisión flexible lo más exacta posible y que esté libre de patinajes se recurre a la
banda dentada, muy utilizada cuando hay engranes unidos a las flechas o ejes. Sus dientes se acoplan
perfectamente a los engranes por lo que no patinan, pero existe el riesgo de perderlos si están muy tensas. Son
muy utilizadas en situaciones donde debe existir sincronización como es el caso del árbol de levas y el
cigüeñal en los automóviles. También se le conoce como banda de sincronización
Polea
La polea es un dispositivo mecánico de tracción o elevación, formado por una rueda (también denominada
rondana) montada en un eje, con una cuerda que rodea la circunferencia de la rueda
Poleas simples
Sólo con una cuerda y una rueda se puede arreglar el cambio de dirección. Se fija la rueda a un soporte y se
pasa una cuerda por la rueda hasta alcanzar la carga. Al tirar desde el otro extremo de la cuerda, se puede
elevar la carga hasta la altura en que se halla fija la polea. El propio peso del cuerpo de la persona que tira se
constituye en una ayuda. Una rueda utilizada de esta manera, se convierte en una polea, y el sistema de
elevación que realiza es una simple guía.
Poleas Compuestas
Las poleas compuestas son aquellas donde se usan más de dos poleas en el sistema, y puede ser una fija y una
móvil, o dos fijas y una móvil etc.
Poleas móviles
Esta polea se une a la carga y no a la viga. Una polea móvil simple es una palanca de segunda clase que
multiplica la fuerza ejercida. La carga es soportada en igual magnitud por ambos segmentos de cuerda esto
hace que la fuerza aplicada disminuya a la mitad. Sin embargo, se debe tirar la cuerda a una distancia mayor
Eléctrico.
En la parte eléctrica se requiere de los siguientes conceptos para la estructuración del prototipo.
Motores eléctricos de corriente directa
Todos los motores eléctricos tienen básicamente los mismos componentes. Todos tienen un magneto
estacionario denominado el estator y un electroimán denominado la armadura. El estator genera el campo
magnético. Cuando una corriente eléctrica pasa por el embobinado de la armadura que se ha colocado en el
campo magnético generado por el estator, esta comienza a rotar debido al torque magnético. De esta manera
al energía eléctrica se convierte en energía mecánica . Si el eje del motor se conecta mediante una correa a
una polea esta se pone en movimiento.
Todas las maquinas DC son reversibles. Si le suministramos un voltaje a los terminales a una máquina
eléctrica (motor), su armadura gira y podemos eventualmente realizar un trabajo mecánico. Por otra parte, si
hacemos girar el eje del motor y por tanto su armadura con ayuda de algún dispositivo entonces el motor
trabajara como un generador eléctrico (dínamo) y producirá corriente eléctrica.
Para la parte de electrónica se utilizarán los conceptos siguientes para complementar el prototipo.
Electrónico.
El circuito necesario para las salidas es el siguiente: el puerto paralelo se conecta aun buffer (74LC245) el
cual es un inversor, convierte los “1” lógicos en “0” (a esto se le llama lógica inversa), de este va a una etapa
de potencia (transistores), la cual realiza una función de interruptor, de aquí está conectado a unos relevadores
y a indicadores de luz (leds) los cuales actúan como indicadores. Los relevadores se utilizan en el estado NA.
Para poder variar la velocidad de los motores utilizamos el TIP 41 y TIP 42 alimentados con voltaje negativo
y positivo respectivamente, aunado a los TIP 41 y 42 se utiliza un TRIAC el cual hace que las señales sean
bidireccionales permitiendo el giro del motor hacia ambas direcciones. Las entradas solo tienen un arreglo
con resistencias.
En la parte de programación utilizamos la siguiente información.
Programación.
La forma en que controlamos nuestro mecanismo es mediante un programa de computadora hecho en
lenguaje C++ él cual permite crear secuencias de control para cada uno de los motores que controlan el
movimiento del mecanismo, así como cualquier otro dispositivo que opere con corriente eléctrica. Otra
característica del sistema, es que puede recibir pulsos externos los cuales pueden venir de finales de carrera,
sensores, etc., lo cual permite tener una interacción con el medio exterior y así obtener un mejor control del
mecanismo.
El puerto paralelo de la computadora es el medio por el cual el sistema interactuar con el mecanismo, el
puerto paralelo opera en lógica inversa (o sea que cuando el programa manda un 1, el puerto manda un 0), por
lo cual se le implementó un 74LS24 que es un circuito integrado que corrige la lógica inversa (cuando mande
un 1 el dispositivo a controlar reciba un 1) . Este puerto, se divide a su vez en tres puertos que son: el puerto
de datos, el puerto de estado y el puerto de control, estos tres puertos comprenden las terminales del 1 al 17 y
las terminales del 18 al 25 son tierras, a continuación se describirá a cada uno de los puertos.
Puerto de datos
Este puerto comprende los pines del 2 al 9 del puerto paralelo y es por medio de este por el cual se envían los
pulsos.
Puerto de Estado
Comprende las terminales : 10,11,12,13 y 15 del puerto paralelo y es por medio de él que se reciben pulsos
externos (5Vdc). Nota: este es el más delicado puesto que si recibe un pulso mas grande que el indicado,
puede dañarse el puerto y a su vez toda la tarjeta madre de la computadora.
Puerto de control
Se conforma de las terminales :1,14,16 y 17 del puerto paralelo, normalmente envía pulsos (como el puertos
de datos) pero puede configurarse para recibirlos (puertos de estado).
La forma en que nuestro sistema controla el mecanismo es mediante el envío de pulsos eléctricos de 5 volts
por medio del puerto paralelo (puertos de datos), estos pulsos tienen una cierta duración previamente
determinada en el programa lo que provoca específicas posiciones de los eslabones del mecanismo. El
programa envía estos pulsos en código hexadecimal pero el puerto paralelo los manda en código binario, así
pues, cuando se desea enviar un pulso a un cierto motor, se debe conocer que número binario activará a ese
motor lo cual no es necesario que conozca el operador del sistema puesto que automáticamente el sistema
sabe a que dirección enviarlo. Para recibir pulsos se hace que el final de carrera o cualquier otro sensor, cierre
un pequeño circuito conformado por una resistencia que cuando consume corriente, el sistema detecta un 1 y
cuando no esta consumiendo corriente, el sistema detecta un cero es mediante esta combinación de ceros y
unos que el sistema obtiene lecturas que puede comparar y así saber si debe efectuar alguna acción que se
programó para cuando se presentara dicha combinación.
Finalmente cabe mencionar que nuestro sistema actualmente utilizamos solo el puerto de datos y el de estado
por la cantidad de motores que empleamos.
MATERIAL
Para la realización del prototipo se contó con los siguientes materiales:
Barra de aluminio, acero 10/18, poleas (dimensiones varias), motores 12V 6 watts, MDF, 8 transistores
BC548, 18 resistores 330, 5 resistores 470, 1 CI 74LC245, 1 entrada puerto paralelo, 8 LED, cable, 9
finales de carrera, 1 transformador 24 V- 3 A, 1 puente de diodos 5 A, un push button, tablilla para impreso, 8
relevadores a 6V, un triac MAC12D, un transistor TIP41, un transistor TIP42 y 2 potenciómetros de 500 k
Fig. 1 Fotografía del prototipo completo
PROCEDIMIENTO
A continuación se presenta el procedimiento de la diferentes partes:
Parte mecánica
1. Se definieron las medidas que se desean
2. Después los materiales que se iban a utilizar
3. Número de movimientos
4. Los brazos se cortaron de solera de aluminio de largo y ancho donde dos quedaron de 150 mm de
largo por 40 mm de ancho.
5. Después los otros dos de al frente de 100 mm de largo por 40 mm de ancho.
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También el tamaño donde va montada las pinzas así como el muelleo del hilo de tensión.
Después son cortados los brazos de las pinzas así como las distancias que habrá entre cada una.
Después se maquinaron los ejes donde giran cada uno de los eslabones que seria una flecha de ¼ de
pulgada donde tendría rosca por los dos lados para tener diferentes distancias. (No. De ejes: 3)
Después son perforadas todas las soleras con su respectivo eje. Aplicando también a unas poleas que
le transmitirá el par cinemático.
Medir cuanto hilo se va necesitar para tensar las pinzas.
En las pinzas le colocaron dos resortes de tensión para mantener abiertas las pinzas y se le coloco el
hilo de presión de las pinzas.
También se le coloco el mecanismo de engranes para cerrar y abrir las pinzas
Se le colocó y mecanismo en la parte inferior donde se simula el movimiento del ultimo eslabón
Por último montarlo en la base.
Parte electrónica
1. En primer lugar definimos el tipo de control y los materiales necesarios
2. En un principio se realizó el control en el protoboard debido a que aún estaba en pruebas y allí es
mas factible realizar cualquier modificación
3. Después se paso a la tableta.
Programación.
1. Esto surgió entre inquietudes y dudas, ya que ninguno de los integrantes domina este ámbito, pero
pudimos aprender algo nuevo con ayuda de un asesor.
A continuación se muestran los cálculos realizados para obtener las especificaciones del prototipo como son:
potencia, torque del motor entre otros.
CÁLCULOS
Cálculo de la potencia
P = 22 w = 0.0294 Hp
Calcular el torque del motor (TM)
TM
Calcular la fuerza tangencial del motor (FM)
FM = TM/r ;
r = (5/16)/2 = 5/32” ;
FM = 1.0322 lb.in/(5/32) in = 6.6059 lb
Calcular el toque en P2.
TP2 =6.6059 (1/2”) = 3.3029 lb.in
Calcular la fuerza en el sinfín (FN)
FN = TP2/ r5 ;
FN = 3.3029/(5/32) = 21.1385 lb
NOTA: Suponemos que la componente axial de la fuerza del sinfín es despreciable y que su componente
normal es la misma fuerza que la que produce el torque en el sinfín.
Calcular la fuerza tangencial del sinfín (FT)
– 25 – 90
FT = M2/R
M2 = FN cos
(R)
M2 = (21.1385 lb) (1/6”)cos65º = 1.4889 lb.in
FT = M2/R = 1.4889 lb.in/ (1/6in) = 8.935 lb
Ahora se calcula el torque en el eje O
= 2”2 = 1”
TO1 = FT .d ;
TO1 = 8.9335 lb (1”) = 8.9335 lb.in
Calcular la fuerza máxima que puede sostener cuando el eslabón L1 se encuentra en posición horizontal
(brazo de palanca = longitud del eslabón)
TO1 = FMAX .L1 ;
FMAX = TO1 /L1 = 8.9335 lb.in/5.905
FMAX = 1.5128 lb
CONLUSIONES
El prototipo se encuentra en la etapa de estructuración del programa la cual se puede mejorar integrando
diversas tareas; cabe mencionar que sería conveniente anexar un reporte sobre la parte de interfase y el
desarrollo de software o programa.
BIBLIOGRAFÍA
1.
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Norton L. Robert Diseño de Maquinaria, Mc. Graw Hill
Mabie H. Hamilton, Reinholtz F. Charles, Mecanismos y dinámica de maquinaria, Ed. Limusa
Wiley.
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http://ceciba.escuelaing.edu.co/lladino/MotoroesDC/MotoresDC.htm
http://www.donosgune.net/2000/gazteler/mecanica/transmis.htm
http://usuarios.bitmailer.com/aperobot/brazo_robotico.htm