brazo robótico selector de colores
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Tesina del proyecto.TRANSCRIPT
1
UNIVERSIDAD POPULAR AUTONOMA DEL ESTADO DE
PUEBLA
Por:
Arturo Avelino Rodríguez
Brian Romero Villareal
Omar Guerrero Barbosa
Alejandro Hernández Couto
Proyecto Final
Construcción de Prototipo Didáctico de Brazo Robótico Separador
de Cajas por Color Blanco o Negro.
Aprobado por:
Ing. Atziry Martínez Márquez
Facultad de Ingeniería Mecatrónica
Puebla, Mayo 2013
2
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN.............................................................................................................3
DEDICATORIA........................................................................................................4
AGRADECIMIENTOS...............................................................................................5
LISTA DE TABLAS..................................................................................................6
LISTA DE FIGURAS................................................................................................7
1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.......................................................................8
2. JUSTIFICACIÓN...............................................................................................8
3. OBJETIVOS....................................................................................................9
3.1 OBJETIVO GENERAL.....................................................................................9
3.2 OBJETIVO ESPECÍFICOS...............................................................................9
4. MARCO DE TEORICO....................................................................................10
5. PROCEDIMIENTO ……………………………………………………………….………22
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS...........................................................................27
7. CONCLUSIONES...........................................................................................28
8. BIBLIOGRAFÍA...............................................................................................28
3
Resumen
Dentro de la construcción del prototipo didáctico funcional del brazo robótico
clasificador de cajas por superficie blanca o negra se implemento un sistema
mecánico elaborado con aluminio para garantizar la rigidez y robustez del mismo
para cumplir su función principal, que como se describe líneas atrás, es la de
identificar cajas con superficie blanca o negra y depositarlas en el espacio
asignado.
El sensor utilizado para la identificación de la superficie de la caja color blanco o
negro fue el QRD1114 que por reflexión de la luz es como realiza la detección del
color adecuado. Dentro del sistema mecánico para movimiento de las
articulaciones del brazo robótico se utilizaron 4 servomotores para cumplir esta
función, tanto para movimiento del brazo completo como para el agarre y
transporte de las cajas.
En cuanto al diseño e implementación de todo el prototipo fue utilizado el software
de diseño “SolidWorks” para garantizar su funcionamiento y para el control de
movimiento y selección de las cajas adecuadas fue utilizado el microcontrolador
Arduino UNO por su eficiencia y funcionalidad en el proyecto.
4
Dedicatoria
A Dios, por habernos dado una familia tan maravillosa y permitirnos llegar hasta
este punto de la carrera.
A nuestros padres, quienes durante todos estos años nos han brindado confianza,
motivación y apoyo. Gracias por amarnos y hacernos personas de bien, con
principios y valores que son más importantes que cualquier otra cosa.
A nuestros profesores, quienes nos han brindado su dedicación y tiempo para
enseñarnos todos sus conocimientos sobre las asignaturas. Gracias por siempre
guiarnos en el camino de la ciencia y enseñarnos a ser mejores como
profesionistas cada día.
Al equipo de trabajo, porque siempre nos ayudamos y apoyamos mutuamente
para sacar adelante todos nuestros objetivos.
5
Agradecimientos
Al Ingeniero Atziry Martínez Márquez, que con sus aportes conceptuales y
prácticos fue posible realizar este proyecto de final de semestre bajo su
supervisión. Por su apoyo y confianza en nuestro trabajo y su capacidad para
guiar nuestras ideas. A la facultad de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad
Popular Autónoma del Estado de Puebla por facilitar sus instalaciones y recursos
para llevar a cabo este proyecto. A amigos y/o compañeros de clases quienes en
su momento hicieron contribuciones en este proyecto.
6
Lista de tablas
………………………….………………………11
TABLA 2. LISTA DE MÉTRICAS………………………………………………………………
11
TABLA 3. CARACTERÍSTICAS OPTICAS Y ELECTRICAS DEL QRD ………………..……
15
7
Lista de figuras
Figura 1. Funcionamiento del QRD ……………………………..………………….. 12
Figura 2. Conexión del QRD ……………………………………………..………….. 13
Figura 3. Dimensiones y Pines QRD …………………………………….…………. 13
Figura 4. Placa Arduino UNO ………………………..………………….…….…….. 14
Figura 5. Partes de un motor DC de imán permanente sin escobill……….…..… 17
Figura 6. Partes principales del rotor, Moto…………………………….…….…….. 18
Figura 7. Partes del estator de un motor DC ………………………….…………… 18
Figura 8. Composición de Servomotor ……………………………………..………. 19
Figura 9. Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor….….. 20
Figura 10. Diseño final del brazo ……….………………….……………..…………. 21
Figura 11. Diseño de piezas del brazo …………………….….…….………………. 21
Figura 12. Diseño de piezas del brazo …………………….….…….………………. 21
Figura 13. Diseño de Servomotor ……………………………….…….…………….. 22
Figura 14. Diseño de soporte de pinza del brazo ……………………………..…… 22
Figura 15. Diseño de pinza del brazo ……………………………………………….. 22
Figura 16. Prototipo final ensamblado energizado ………………………..……….. 25
Figura 17. Base y primeras articulaciones del prototipo …………………….…….. 26
Figura 18. Base, primera articulación y microcontrolador del prototipo …………. 26
Figura 19. Servomotor adaptado al prototipo ………………...………………..…… 26
8
1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
En la actualidad las empresas a nivel mundial se encuentran en constante
búsqueda de soluciones para la reducción de tiempos en organización para el
almacenado y/o distribución de sus productos finales, embalados en cajas o
contenedores debidamente marcados para el señalamiento de su contenido y su
correcta entrega a las comercializadoras de los mismos. Esto surge a raíz de,
como se menciona anteriormente, la búsqueda de agilización para el proceso final
de un producto.
Adaptando este proceso se busca una optimización en la línea terminal de la
producción de un producto. Teniendo como mejoras esperadas, la velocidad en
cuanto a separación de cajas y/o contenedores y una correcta evaluación de
contenido de las mismas.
2. JUSTIFICACIÓN
La idea principal de realizar este brazo robótico (prototipo didáctico) para la
clasificación de cajas con superficie blanca o negra surge como método de
optimización de tiempos para la línea terminal de un producto dentro de las
empresas.
Muchas de las veces la respuesta de consumo de un producto en una sociedad no
cumple la misma demanda en la parte norte y sur ya sea de una ciudad o del país
por lo que se pretende con esta automatización evitar cualquier tipo error en
cuanto a la distribución de los productos correctamente embalados.
Esta búsqueda deseada aportara a los actuales sistemas de clasificación, ya sea
su diseño práctico y funcional, la implementación de un sensor para mejorar el
método de clasificación y distribución de paquetes. Se espera que el resultado de
este proyecto tenga utilidad y grandes avances en el control de dicho proceso.
9
3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un prototipo didáctico de brazo robótico para la selección y
clasificado de cajas o contenedores con superficie blanca o negra mediante el uso
del controlador Arduino con el fin evitar inconvenientes para la distribución de un
producto.
3.2 OBJETIVOS PARTICULARES
Crear un programa de control para el microcontrolador ATmega328
contenido en la placa de Arduino para su posterior implementación al
desarrollo físico del prototipo didáctico del brazo robótico, creando de la
misma manera una secuencia de selección y depositado final de las cajas o
contenedores en el correcto espacio.
Diseño mediante software (SolidWorks) del sistema mecánico que será
implementado para la generación del prototipo didáctico final para su
ensamblado y ajuste correcto de los servomotores que serán utilizados para
cumplir sus funciones de movimiento.
Realizar pruebas de comportamiento de los servomotores tanto para el
control de su velocidad como para la adaptación correcta en sus
respectivos ángulos de giro.
Crear métodos y tiempos para la construcción del brazo robótico y verificar
todos los elementos mecánicos para poder proporcionar la confianza
necesaria de funcionamiento así como también que todo los elementos
estén adaptados de la forma mas óptima.
Identificar las características del sensor óptico QRD para definir el protocolo
de selección que debe llevar a cabo para las cajas o contenedores con
alguna superficie blanca o negra.
10
4. MARCO TEORICO
ANALISIS DEL PROBLEMA
La señal a producir son los parámetros para originar respuestas deseadas en este
caso el factor de señal en el prototipo que es la variación de la clasificación en
caso de requerir y/o variar el tamaño de las cajas que serán manipuladas por el
brazo.
Los factores de control son los parámetros que el diseñador puede fijar para en
este en este caso controlar:
Velocidad de los motores.
Numero de cajas limitado o ilimitado que serán manipuladas.
Control del sensor óptico para la identificación de las cajas.
Los factores de ruido son las variables que no podemos controlar de manera
explícita, dichas variables son:
Ruidos externos en los circuitos.
Numero de cajas a clasificar y/o manipular.
Histéresis de sensores.
Desgaste de componentes.
Mal manejo de componentes.
PREPARACION DE ESPECIFICACIONES
Las especificaciones del prototipo didáctico se basan en la funcionalidad del
mismo para realizar la clasificación de cajas por color blanco y negro realizando
controles de depósito para organizar las cajas con superficie blanca en un
determinado espacio y las cajas con superficie negra en un determinado espacio
distinto al anterior. La clasificación por colores se realiza por medio de la
implementación de un sensor óptico QRD, utilizando la plataforma de hardware
libre Arduino. Regulando de forma correcta la velocidad de los servomotores del
11
brazo para el transporte de las cajas a clasificar y depositar en el espacio
correspondiente al color de la superficie identificada por el sensor.
Tabla 1. Especificaciones del producto
Núm. Necesidad Imp.
1 Clasificación por color (b/n). 5
2 Agilizar el proceso. 3
3 Estética del prototipo. 3
4 Diseño óptimo. 3
5 Resistencia del prototipo. 5
6 Competitividad en el mercado. 4
Tabla 2. Lista de métricas
Métrica
Núm.
Núm. de
necesidad
Métrica Imp. Unid.
1 1 Identificación de colores (b/n). 5 Color
2 2 Agilizar el proceso. 3 mm/s
3 4 y 5 Resistencia 5 N/m^2
4 6 Competitividad con el mercado 4 COP
GENERACIÓN DE POSIBLES SOLUCIONES
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El problema que se plantea en el presente escrito busca de manera analítica y
específica la solución a la búsqueda de optimización en la velocidad de
clasificación de cajas y/o contenedores con alguna superficie blanca o negra para
su correcta distribución. Para esto se implementara un sensor óptico QRD para
cumplir la función de la identificación y clasificación de cajas con superficie de
distinto color (b/n). Este buscara a través de IA (inteligencia artificial) clasificar dos
tipos de colores soportándose sobre la plataforma de hardware libre Arduino.
Clasificación de color:
Para lograr la clasificación del color entre el blanco y negro se requiere de un
sensor óptico QRD, un sensor de reflexión, consiste en un diodo que emite luz
infrarroja y un fototransistor del silicio de NPN montado al lado del otro en una caja
de plástico negro. El eje de la radiación del emisor y la respuesta en el eje del
detector son perpendiculares a la cara de la QRD1114. El fototransistor responde
a la radiación emitida por el diodo sólo cuando un objeto o superficie reflectante
está en el campo de visión del detector.
Como se puede observar en la figura la luz generada por el emisor llega a la
superficie y de pendiendo
del material y color de
este se reflejara o no (se
producen otro tipo de
fenómenos pero lo que
nos interesa es si se
refleja o no ) dependiendo
de esto el receptor
interrumpirá o no el paso
de energía . [1]
Figura 1. Funcionamiento QRD.
Fuente [1]
Figura 2. Conexión del QRD.
Fuente [2]
Figura 3.Dimensiones y Pines QRD.
Fuente [3]
13
Este sensor realmente es un foto
transistor que opera con un haz de luz
infrarroja del cual se utilizarán las regiones
de saturación y corte para determinar si el
sensor está sobre color blanco
(saturación, 0 lógico) ó sobre la línea
negra (corte, 1 lógico). Para ello se
propone una conexión como la mostrada
en la Figura 2.
Los valores de las resistencias que aparecen en la Figura 2 son los valores que
se usan en la implementación de este dispositivo ya que, con dichos valores el
sensor funciona muy bien. Existen otros modelos de sensores como lo son el
CNY-70 y el HOA1397 sin embargo las razones por las cuales no se eligieron
estos modelos es porque el CNY-70 es un sensor un poco más grande y el
HOA1397 a pesar de que es del mismo tamaño, su haz de luz infrarroja es muy
débil, motivo por el cual es más complicada su polarización; sin embargo, para
aplicaciones de distancias que estén por el orden de milímetros es un sensor
bastante eficiente pero es más costoso. Para ambos sensores su modo de
operación y forma de conexión es exactamente igual al QRD1114. [2]
Para la implementación y utilización del sensor
debemos requerir de algunas especificaciones
técnicas muy importantes por eso como parte
de la busqueda se acude a los datasheets del
componente para ver sus distintas
especificaciones.
Figura 4.Placa Arduino UNO.
Fuente [4]
14
Como parte de lo mismo es de vital importancia verificar los datos de la siguiente tabla para ajustar lo necesario.
Tabla 3. Características ópticas y eléctricas del QRD [3]
Microcontrolador del prototipo didáctico (Arduino):
Arduino es una herramienta para hacer
que los ordenadores puedan sentir y
controlar el mundo físico a través de tu
ordenador personal. Es una plataforma de
desarrollo de computación física (physical
computing) de código abierto, basada en
una placa con un sencillo
microcontrolador y un entorno de
desarrollo para crear software
(programas) para la placa.
15
El lenguaje de programación de Arduino es una implementación de Wiring, una
plataforma de computación física parecida, que a su vez se basa en Processing,
un entorno de programación multimedia.
Ahora bien dentro de todas las especificaciones de la placa Arduino UNO
encontramos todas las siguientes:
14 entrada/salida digitales, de los cuales 6 pueden se usados como salidas PWM
Posee 6 entradas analógicas Los pin 0 y 1 pueden funcionar como RX y TX serial. Un oscilador de crystal de 16 MHz Conector USB Un jack de poder Una conector ICSP Botón de Reset
La Arduino UNO posee todo lo que se necesita para manejar el controlador,
simplemente se conecta a un computador por medio del cable USB o se puede
alimentar utilizando una batería o un adaptador AC-DC. Si se conecta por USB, la
alimentación externa no es necesaria.
Algunas características son:
Microcontroller ATmega328
Operating Voltage 5V
Input Voltage (recommended) 7-12 V
Input Voltage (limits) 6-20 V
Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output)
Analog Input Pins 6
DC Current per I/O Pin 40 mA
DC Current for 3.3V Pin 50 mA
Flash Memory32 KB (of which 0.5 KB used by bootloader)
SRAM 2 KB
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Las Entradas analógicas son de 10 bits, por lo que entregan valores entre 0 y
1023. El rango de voltage está dado entre 0 y 5 volts, pero utilizando el pin AREF
disponible, este rengo se puede variar a algún otro deseado.[4]
Motores
Los motores de corriente continua o también llamados de corriente directa (C.C. o
D.C) son comúnmente utilizados en aplicaciones de robótica, dispositivos
mecatrónicos y dependiendo del entorno y uso, en sistemas industriales.
Los motores DC tienen algunas ventajas sobre los motores AC, por ejemplo:
Fácil accionamiento; simple, solo es necesario aplicar la tensión de alimentación
entre sus bornes. Para invertir el sentido de giro basta con cambiar la polaridad en
sus bornes de alimentación.
Regularmente requieren de bajo nivel de voltaje (tensión) para funcionar.
Mantienen un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades.
Alta capacidad de sobrecarga.
Poseen gran facilidad de inversión de marcha de los motores grandes con cargas
de inercia considerable, al mismo tiempo que devuelven energía a la línea
actuando como generador, facilitando el frenado y la reducción de velocidad. [5]
También presentan algunas desventajas, por ejemplo:
A diferencia de los motores pasos a paso y los servomotores, los motores DC no
pueden ser posicionados y/o enclavados en una posición específica. Estos
simplemente giran a la máxima velocidad y en el sentido que la alimentación
aplicada se los permite.
Su proceso de fabricación es más complicado, lo que los hace más caros.
17
Las partes fundamentales de un motor DC son:
Inductor o estator: Es un electroimán formado por un número par de polos.
Las bobinas a su alrededor son las encargadas de producir el campo
inductor al circular por ellas la corriente de excitación.
Inducido o rotor: Es una pieza giratoria (eje) formada por un núcleo
magnético alrededor del cual va el devanado de inducido, sobre el que
actúa el campo magnético.
El rotor es la parte móvil del motor, esta parte genera el torque para mover
la carga, entre sus componentes encontramos:
o Eje
o Núcleo
o Devanado
o Colector
Figura 5. Partes de un motor DC de imán permanente sin escobillas
Fuente [6]
18Figura 6. Partes principales del rotor, Motor DC
Fuente [7]
Figura 7. Partes del estator de un motor DC
Fuente [7]
Servomotores:
Estos dispositivos son considerados una de las materias primas en el diseño y la
construcción de losrobots. Si combinamos y administramos los movimientos en un
montaje mecánico adecuado, un grupo variable de servomotorespuede dar
motricidad y locomoción a sistemas controlados de manera local o remota. Desde
pequeñas aplicaciones didácticas hasta el más complejo diseño robótico. Los
límites son tu imaginación y tus ganas de aprender.
Figura 8.Composición de Servomotor.
Fuente [8]
19
“Dadme un punto de apoyo y moveré al mundo” habría dicho Arquímedes de
Siracusa, arrastrado quizá por un entusiasmo desmedido ante su descubrimiento
de la ley de la palanca. A partir de allí comienza la historia de las máquinas
simples, y el dispositivo que veremos y aplicaremos hoy en este artículo es un
buen ejemplo de ello.
Un servomotor es
básicamente un actuador
mecánico basado en un motor
y un conjunto de engranajes
que permiten multiplicar el
torque del sistema final, el
cual posee elementos de
control para monitorear de
manera constante la posición
de un elemento mecánico que
será el enlace con el mundo
exterior. Es decir, ante una acción
inducida electrónicamente a
un servomotor, obtendremos por
resultado una respuesta mecánica controlada. Por ejemplo, los motores que
forman parte de una impresora, junto a los sistemas de control de avance o
retroceso del papel, forman un servomotor.
Las aplicaciones de estos sistemas esclavos se pueden observar mayormente en
aeromodelismo y robótica, pero no son exclusivos de estos usos. Cualquier
sistema que requiera un posicionamiento mecánico preciso y controlado
dependerá de un servosistema o servomecanismo, actuado, por supuesto, por
un servomotor. El zoom de una cámara, el autoenfoque de un conjunto óptico, un
sistema de movilización de cámaras de vigilancia y hasta las puertas automáticas
de un ascensor son sencillos ejemplos de su aplicación.
20
El motor posee la característica de girar a una buena velocidad, la cual disminuye
por los juegos de engranajes de la caja reductora que aprovechan esta velocidad
para transformarla en fuerza de trabajo. Al girar el último engranaje acoplado al eje
de salida obtenemos una velocidad notablemente reducida, a pesar de que, dentro
del sistema, el motor está girando a altas velocidades.[8]
Figura 9.Diagrama en bloques de la
estructura interna de un servomotor.
Fuente [8]
21
5. PROCEDIMIENTO
DISEÑO EL BRAZO ROBOTICO
Esta parte fue de vital importancia para el desarrollo del proyecto ya que en este
punto es donde surgen principalmente todas las interrogantes sobre los espacios y
el correcto funcionamiento del mismo. Como ya se mencionó en secciones
anteriores se utilizo el software de diseño “SolidWorks” para ir realizando el diseño
de las partes que conforman el prototipo del brazo robótico separador de cajas de
color con superficie blanca o negra. Avanzando como se muestra a continuación:
Figura 10.Diseño final del brazo.
Fuente [Autores]
Figura 11 y 12.Diseño de piezas del
brazo.
Fuente [Autores]Figura 13.Diseño de Servomotor
Fuente [Autores]
22
CREACIÓN Y PRUEBA DEL
PROGRAMA DE CONTROL:
En esta parte se fueron
implementando cada uno de los componentes del brazo como lo son los motores y
el sensor. Se realizaban pruebas en solitario para ir creando el código para el
funcionamiento de cada uno de los componentes para llegar a la conclusión
unificando el código a uno solo cumpliendo el funcionamiento deseado para la
Figura 15.Diseño de pinza del brazo.
Fuente [Autores]
Figura 14.Diseño de soporte de pinza
del brazo.
Fuente [Autores]
23
identificación y separación de las cajas de acuerdo al color de su superficie ya sea
blanco o negro. El código establecido finalmente se muestra a continuación:
24
25
ENSAMBLE Y PRESENTACIÓN FINAL DEL PROTOTIPO:
En esta sección se muestra el ensamblaje final del prototipo para su prueba
general y su posterior presentación ante la audiencia general mostrando como
funciona y examinando sus características. El ensamblaje y presentación final del
prototipo didáctico quedan de la siguiente manera:
Figura 16.Prototipo final ensamblado
energizado.
Fuente [Autores]
Figura 17.Base y primeras
articulaciones del prototipo.
Fuente [Autores]
26
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
Los resultados se analizaron previamente por medio de pruebas como:
Prueba de sensor óptico.
Pruebas en placa Arduino.
Prueba programa en servomotores.
Pruebas mecánicas (simuladas).
Prueba motor con ensamble final.
Figura 18.Base, primera articulación y
microcontrolador del prototipo.
Fuente [Autores]
Figura 19.Servomotor adaptado al
prototipo.
Fuente [Autores]
27
Con las anteriores pruebas se puede analizar que los distintos elementos que se
van a implementar en el brazo robótico, si están funcionando correctamente y si
pueden ser integrados para alcanzar los objetivos estipulados en este proyecto.
7. CONCLUSIONES
Se puede concluir que un desarrollo planificado y bien establecido de un
proyecto facilita mucho su elaboración para lograr obtener los resultados
deseados sin la necesidad de trabajar bajo presión.
El uso de software de diseño “SolidWorks” es de vital importancia para
generar ideas en 3D y modificarlas a gusto para que pueda ir cumpliendo
los objetivos del proyecto hasta que se pueda implementar físicamente.
La programación dentro de la placa Arduino es de mucha ayuda para este
tipo de proyectos ya que su facilidad de programación y su gran eficiencia
aporta un gran apoyo para la elaboración y/o prueba de las partes para
evitar lo mas posible los errores.
Debido a la inexperiencia en soldadura y corte de piezas y/o partes de
aluminio se tuvieron que improvisar diversos cambios en la estructura del
brazo los cuales no afectaron en el resultado final y deseado del prototipo.
Los servomotores se deben tener muy en cuenta al adaptarlos a la
estructura debido a sus 180° de libertad ya que si no se corroboran de
manera correcta la articulación o movimiento del brazo puede verse
afectado o muy limitado.
8. BIBLIOGRAFÍA
[1] http://m-team.blogspot.mx/2010/10/nivel-sensorial.html
Consultado en Mayo 2013
[2] http://148.206.53.231/UAMI14446.pdf
Consultado en Mayo 2013
28
[3] https://www.sparkfun.com/datasheets/BOT/QRD1114.pdf
Consultado en Mayo 2013
[4] http://www.arduino.cl/int/caracteristicas.html
Consultado en Mayo 2013
[5] http://www.tecnoficio.com/electricidad/velocidad_de_motores_electricos3.php
Consultado en Mayo 2013
[6] http://www.todorobot.com.ar/documentos/dc-motor.pdf
Consultado en Mayo 2013
[7]http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/aparato-control-67966-_27.html
Consultado en Mayo 2013
[8] http://www.neoteo.com/servomotores-el-primer-paso-hacia-tu-robot
Consultado en Mayo 2013