diseÑo y prototipo de una plataforma robÓtica …

DISEÑO Y PROTOTIPO DE UNA PLATAFORMA ROBÓTICA EDUCATIVA DE MANIPULADORES

LUIS ENRIQUE ARAQUE HENAO 2110146

CRISTIAN DAVID MURIEL PATIÑO 2110012

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2018

DISEÑO Y PROTOTIPO DE UNA PLATAFORMA ROBÓTICA EDUCATIVA DE MANIPULADORES

LUIS ENRIQUE ARAQUE HENAO CRISTIAN DAVID MURIEL PATIÑO

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecatrónico

Director ALVARO JOSE ROJAS ARCINIEGAS

Ingeniero mecatrónico Especialización en gerencia de proyectos

Maestría en ciencias de ingeniería y emprendimiento empresarial Maestría en ingeniería industrial Ph. D en ciencias de la imagen

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA

PROGRAMA INGENIERÍA MECATRÓNICA SANTIAGO DE CALI

2018

3

Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatrónico Edgar Francisco Arcos Jurado

Diego Fernando Almario Jurado

Santiago de Cali, 28 de mayo de 2018

4

CONTENIDO

pág.

RESUMEN 14

INTRODUCCIÓN 15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16

2. JUSTIFICACION 18

3. OBJETIVOS 20

4. ANTECEDENTES 21

4.1 LEGO MINDSTORMS EV3 22

4.2 FISCHERTECHNIK INDUSTRY 22

4.3 DESARROLLOS LOCALES 23

5. MARCO TEORICO 26

5.1 CONSTRUCCIONISMO 26

5.2 ROBOTICA EDUCATIVA 27

5.3 ROBOT MANIPULADOR 28

5.4 PLATAFORMAS DE DESARROLLO BASADAS EN MICROCONTROLADORES 31

5.5 LENGUAJES DE PROGRAMACION VISUAL 32

6. METODOLOGIA 34

6.1 PLANEACION 34

5

6.1.1 Planteamiento de la misión del proyecto. 36

6.2 DESARROLLO CONCEPTUAL 37

6.2.1 Identificación de las necesidades del cliente. 37

6.2.2 Definición de las métricas de diseño. 38

6.2.3 Establecimiento de las especificaciones del producto. 38

6.2.4 Generación de conceptos iniciales. 45

6.2.5 Diseño concurrente. 48

6.2.6 Selección de conceptos. 65

6.3 DISEÑO DE SISTEMAS 68

6.3.1 Establecimiento de la arquitectura del producto. 69

6.3.2 Casa de la calidad 2 (QFD) y análisis costo valor. 71

6.3.3 Análisis costo valor. 78

6.3.4 Diseño de sub-sistemas. 80

6.4 DISEÑO A NIVEL DE DETALLE 93

7. DESCRIPCION FINAL DEL PRODUCTO 108

8. PROTOTIPADO Y RESULTADOS OBTENIDOS 109

8.1 DEFINICION DEL PROPOSITO 109

8.1.1 Prototipo 0.1. 110

8.1.2 Prototipo 0.2. 111

8.1.3 Prototipo 0.3. 117

8.1.4 Prototipo 0.4. 118

8.1.5 Prototipo 0.5. 119

8.1.6 Prototipo 0.6. 121

6

8.1.7 Prototipo 0.7. 125

8.1.8 Prototipo 0.8. 126

8.1.9 Prototipo 0.9. 130

8.1.10 Prototipo alfa. 133

8.1.11 Prototipo beta. 135

9. CONCLUSIONES 141

BIBLIOGRAFÍA 142

7

LISTA DE CUADROS

pág.

Cuadro 1 Planteamiento de la misión del proyecto. 36

Cuadro 2 Necesidades interpretadas con sus respectivos pesos. 37

Cuadro 3 Métricas de ingeniería. 38

Cuadro 4 Correlación de necesidades y métricas. 39

Cuadro 5 Correlación de métricas de ingeniería. 41

Cuadro 6 Percepción del cliente. 44

Cuadro 7 Benchmarking técnico. 45

Cuadro 8 Alternativas de solución para microcontroladores. 53

Cuadro 9 Alternativas de solución para convertir energía eléctrica en movimiento. 55

Cuadro 10 Alternativas de solución para acondicionamiento de señal de control. 57

Cuadro 11 Alternativas de solución para sujeción de objeto. 59

Cuadro 12 Evaluación cualitativa de los conceptos para sujeción de objeto. 64

Cuadro 13 Comparación de cualidades entre las diferentes configuraciones de robots. 65

Cuadro 14 Matriz de tamizaje de conceptos iteración 1. 66

Cuadro 15 Ecuaciones para el cálculo de volumen de trabajo teórico. 66



Cuadro 18 Relaciones entre necesidades del cliente y sub-sistemas. 72

Cuadro 19 Mapeo de Sistema vs sub-sistema de la interfaz de usuario. 73

8

Cuadro 20 Mapeo métricas sub-sistema vs partes del sub-sistema interfaz de usuario. 74

Cuadro 21 Mapeo de Sistema vs sub-sistema de los eslabones. 75

Cuadro 22 Mapeo métricas sub-sistema vs partes del sub-sistema eslabón. 76

Cuadro 23 Mapeo de Sistema vs sub-sistema de la base. 77

Cuadro 24 Mapeo métricas sub-sistema vs partes del sub-sistema base. 78

Cuadro 25 Presupuesto. 79

Cuadro 26 Especificaciones técnicas del microcontrolador Arduino MEGA. 93

Cuadro 27 Características técnicas de la fuente de poder. 95

Cuadro 28 Características técnicas del elevador de voltaje. 96

Cuadro 29 Características técnicas de servo HC2627SG. 98

Cuadro 30 Pesos de los eslabones de la configuración antropomórfica. 99

Cuadro 31 Características técnicas servomotor HS-82MG. 102

Cuadro 32 Características técnicas servomotor HS-311. 103

Cuadro 33 Características técnicas del dispositivo 4N45. 104

Cuadro 34 Prototipos propuestos con nivel de aproximación. 110

Cuadro 35 Comportamiento obtenido con el servomotor turnigy 1270HV método pasos con diferentes cargas. 113

Cuadro 36 Comportamiento obtenido con servomotor turnigy 1270HV método inmediato con diferentes cargas. 113

Cuadro 37 Comportamiento servomotor towerpro MG946R método a pasos. 116

Cuadro 38 Comportamiento servo towerpro MG946R método inmediato. 117

9

Cuadro 39 Mediciones de la señal PWM con osciloscopio y Arduino MEGA. 122

Cuadro 40 Mediciones de la señal PWM con osciloscopio y Arduino YUN. 123

Cuadro 41 Propiedades mecánicas del acrílico para las simulaciones. 127

Cuadro 42 Características obtenidas vs características preliminares. 136

10

LISTA DE FIGURAS pág.

Figura 1 Kit de robótica LEGO Mindstorms EV3. 22

Figura 2 Kit de robótica Fischertechnik factory simulation. 23

Figura 3 Robot manipulador MeArm. 24

Figura 4 Robot manipulador The-SMART-NS16. 28

Figura 5 Distintos tipos de articulaciones para robots. 29

Figura 6 Configuraciones más frecuentes en robots manipuladores. 30

Figura 7 Diferentes tipos de efectores finales. 31

Figura 8 Plataforma de desarrollo "Arduino uno". 32

Figura 9 Ejemplo de secuencia de lenguaje de programación visual. 33

Figura 10 Proceso de desarrollo del producto. 34

Figura 11 A: Robotis Manipulator L. 42

Figura 12 B: Fischertechnik ROBO TX Automation Robots. 42

Figura 13 OWI Robotic arm edge. 43

Figura 14 Lynxmotion AL5D Robotic Arm. 43

Figura 15 Caja negra, descomposición funcional. 46

Figura 16 Caja transparente, descomposición funcional más detallada, en rojo sub-funciones críticas. 47

Figura 17 Combinación de conceptos. 47

Figura 18 Concepto A. 48

Figura 19 Concepto B. 49

Figura 20 Concepto C. 50

Figura 21 Concepto D. 51

Figura 22 Morfología de robot cilíndrico. 60

11

Figura 23 Morfología de robot SCARA. 61

Figura 24 Morfología de robot antropomórfico. 62

Figura 25 Morfología de robot cartesiana. 63

Figura 26 Funciones y partes implicadas. 69

Figura 27 Esquema del producto e interacciones fundamentales. 70

Figura 28 Diagrama de interacciones incidentales. 71

Figura 29 Análisis costo valor. 79

Figura 30 Diseño final de la configuración antropomórfica. 80

Figura 31 Diseño final de la configuración SCARA. 81

Figura 32 Vista de explosión base. 82

Figura 33 Vista de explosión eslabón 1 antropomórfico. 83

Figura 34 Vista de explosión eslabón 1 SCARA. 84

Figura 35 Vista de explosión eslabón 2 SCARA. 85

Figura 36 Vista de explosión eslabón 4 antropomórfico y gripper. 86

Figura 37 Vista de explosión tercer eslabón SCARA y gripper. 87

Figura 38 Diseño del shield en software eagle 4. 88

Figura 39 Captura de pantalla de la interfaz de S4A. 89

Figura 40 Captura de pantalla de la interfaz de modkit. 90

Figura 41 Captura de pantalla de la interfaz de Mblock. 91

Figura 42 Captura de pantalla de la interfaz de snap for arduino. 92

Figura 43 Microcontrolador Arduino mega. 94

Figura 44 Fuente de poder Meanwell LSR50-5. 94

Figura 46 Elevador de voltaje DROK LTC 1871. 96

Figura 47 Servomotor GOTEK HC2627SG. 97

12

Figura 48 Distancia de aplicación de fuerza de los servos. 99

Figura 49 Servomotor TowerPro MG996R. 100

Figura 50 Características técnicas servomotor MG946R. 100

Figura 51 Distancia de aplicación del torque del servomotor MG946R. 101

Figura 52 Servomotores Hitec HS82MG y HS311. 102

Figura 53 Dispositivo fototransistor 4N25 para aislamiento eléctrico. 104

Figura 54 Creación de bloques. 105

Figura 55 Edición de bloques. 106

Figura 56 Código completo para desplazar 4 articulaciones en la configuración antropomórfico. 107

Figura 57 Diseño conceptual basado en robot MeArm. 111

Figura 58 Montaje para pruebas de motores. 112

Figura 59 Sensor de corriente utilizado. 112

Figura 60 Comportamiento servomotor turnigy 1270HV corriente vs tiempo. 114

Figura 61 Comportamiento servomotor turnigy 1270HV corriente vs tiempo. 115

Figura 62 Implementación de la morfología SCARA y antropomórfica versión 1. 118

Figura 63 Implementación de la morfología antropomórfica versión 2. 119

Figura 64 Sistema de engranes para transmisión de potencia. 120

Figura 65 Implementación de la morfología SCARA versión 2. 120

Figura 66 Sistema de piñón cremallera para eslabón 3 del SCARA. 121

Figura 67 Condiciones de pruebas de laboratorio. 124

13

Figura 68 Señal obtenida por el osciloscopio antes del aislamiento eléctrico. 124

Figura 69 Señal obtenida después del aislamiento eléctrico. 125

Figura 70 Implementación de la morfología antropomórfica versión 3. 126

Figura 71 Resultados de simulación para tensión de Von Mises. 128

Figura 72 Resultados de simulación para desplazamiento resultante (URES). 129

Figura 73 Resultados de simulación para la tensión superficial equivalente (ESTRN). 130

Figura 74 Implementación de la morfología Antropomórfica versión 4. 131

Figura 75 Implementación de la morfología SCARA versión 4. 132

Figura 76 Implementación de la configuración Hibrida SCARA - Antropomórfico. 133

Figura 77 Señales visuales de riesgo de atrapamiento y riesgo eléctrico. 134

Figura 78 Ubicación de la señal lumínica (LED). 134

Figura 79 Modificación tipo slot para el libre desplazamiento del cableado. 135

Figura 80 Prototipo beta en configuración SCARA con todas las conexiones y listo para operar. 137

14

RESUMEN

En este proyecto de grado se define el diseño y prototipado de una plataforma robótica educativa de manipuladores para la educación, se indago sobre la causa principal de deserción de los estudiantes de ingeniería mecatrónica en los primeros semestres en la universidad y se concluyó que debido a la falta de acercamiento de los estudiantes con la tecnología y la robótica se genera desinterés, por lo tanto, así se generan espacios que estimulen la creatividad de los estudiantes mediante talleres o cursos electivos.

De una manera pedagógica basada en el construccionismo se diseñó un producto donde se explica cómo construir una plataforma robótica en un lenguaje llamativo para aquellas personas que están incursionando en el mundo de la robótica. Se utilizo la metodología de diseño concurrente para la identificación de necesidades de los usuarios, así mismo la creación y selección de conceptos que fueron evaluados y validados mediante pruebas de laboratorio, simulaciones y prototipos, se seleccionaron componentes y materiales pensando que sea un proyecto replicable y viable económicamente para las instituciones educativas. Por otra parte, se implementó una interfaz amigable para usuarios con conocimientos básicos en programación logrando de esta manera brindar una experiencia más dinámica y atractiva.

Palabras clave: Morfologia, antropomorfico, modulación por ancho de pulso (PWM), articulación, servomotor, arduino

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INTRODUCCIÓN

En el mundo contemporáneo la expansión de la ciencia y la tecnología ha jugado un rol importante en el desarrollo de la sociedad, siendo factores decisivos al momento de evaluar el progreso de las naciones; la robótica ha sido un elemento clave en la transición hacia la edad moderna, donde se fundamenta esencialmente el conocimiento científico. De esta forma se pasa de máquinas que tienen como objetivo la amplificación de la potencia muscular del hombre, sustituyéndolo en su trabajo físico, a maquinas o instrumentos que son también capaces de procesar información, complementando o incluso sustituyendo al hombre en algunas actividades intelectuales1.

En el área de la ingeniería se aplican las matemáticas, la física, química y otras ciencias para el desarrollo de tecnologías, tal como el manejo eficiente de recursos en beneficio de la sociedad, lo que hace que sea una pieza esencial para toda investigación que busque el desarrollo sustentable a largo plazo.

Por otra parte, en la situación actual de Colombia en materia de educación se están desarrollando diferentes investigaciones para entender la problemática presente en algunos países de Latinoamérica. En donde la gran mayoría de los estudiantes bachilleres están optando por carreras diferentes a la ingeniería, por lo que se ha planteado una hipótesis cuyo punto central argumenta, que esto se debe a las estrategias pedagógicas que implementan las instituciones educativas2.

Por lo tanto, se ha desarrollado el concepto de robótica educativa con el objetivo de permitir a las instituciones de educación media y superior crear un ambiente dinámico y multidisciplinario, con el fin de que los alumnos puedan utilizar sus conocimientos de una forma nueva, promoviendo aprendizajes y conceptos complementarios que logren desarrollar competencias en solución de problemas, trabajo solidario, aprendizaje colaborativo, innovación, creatividad y liderazgo de proyectos a través de tecnologías modernas y entornos de programación intuitivos 3. Además, potencia la vocación científica y tecnológica qué se requiere en los países latinoamericanos.

1 OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica: Manipuladores y robots móviles. Barcelona, España: Marcombo S.A, 2001. p. 1. 2 ¿Por qué los ingenieros se están extinguiendo en el país? [en línea]. En: Semana. 23 de junio de 2016, [Consultado: 20 de junio de 2017]. Disponible en Internet: https://www.semana.com/educacion/articulo/ingenierias-en-colombia/478860 3 ¿Qué es la robótica educativa? [en línea]. Edukative. [Consultado: 20 de junio de 2017]. Disponible en internet: https://edukative.es/que-es-la-robotica-educativa/

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad una de las herramientas para demostrar el avance de las naciones es sin lugar a duda el desarrollo de la ciencia y la tecnología, pues son aspectos críticos que ayudan a medir el nivel de las mismas de acuerdo con sus patentes y desarrollos tecnológicos4; por lo cual es de vital importancia que en Colombia exista suficiente oferta de científicos e ingenieros que contribuyan con la generación de conocimientos universales y que sean aplicados a una sociedad moderna.

Sin embargo, se viene presentando un fenómeno en los jóvenes, los cuales son precavidos al momento de escoger una carrera profesional asociada a la ciencia y/o ingeniería, debido a que no se sienten con las capacidades que se necesitan para estudiar una carrera de este tipo; como lo menciona Gonzalo Ulloa, director de la facultad de Ingeniería de la Universidad ICESI, en entrevista con la revista Semana5.

Esta situación genera un problema en la medida que se hace más difícil motivar a los jóvenes en la elección de carreras profesionales en las áreas de ciencia y tecnología. De igual manera se observa unos índices de deserción muy altos en los programas de ingeniería en los primeros semestres, donde les resulta difícil relacionar la teoría básica que domina dichos semestres con su habilidad para proponer soluciones tecnológicas más adelante.

En este orden de ideas, en Colombia se han desarrollado estudios que plantean la hipótesis de que las metodologías no son las apropiadas y por ello, el estudiante pierde el interés por estas áreas del conocimiento, pues no son interactivas o aplicadas, que le brinden al estudiante una manera más activa de aprender. Así mismo lo menciona Fernando Uribe, docente de filosofía, donde enfatiza que: “los docentes de matemática y ciencias no han creado un vínculo entre los estudiantes y las matemáticas, estas requieren de estrategias para fomentar el amor por las ciencias y las matemáticas. Para cambiar la percepción y que más jóvenes ingresen a los programas de ingeniería”.

4 La ciencia es una herramienta estratégica para el desarrollo de las naciones [en línea]. Universidad de Guadalajara. 4 de noviembre de 2015, [Consultado: 22 de junio de 2016]. Disponible en internet: http://www.cusur.udg.mx/es/noticia/la-ciencia-es-una-herramienta-estrategica-para-el-desarrollo-de-las-naciones

5 ¿Por qué los ingenieros se están extinguiendo en el país? [en línea]. En: Semana. 23 de junio de 2016, Parr. 2. [Consultado: 20 de junio de 2017]. Disponible en Internet: https://www.semana.com/educacion/articulo/ingenierias-en-colombia/478860

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Así pues, se reconoce el poder de las metodologías interactivas aplicadas para fortalecer: habilidades cognitivas, espaciales y motoras, reconocer la relación causa-efecto, facilitar la solución de problemas complejos, aumentar la creatividad, estimular la competencia con otros equipos, aprender a seguir reglas y a manejar situaciones problemáticas6. Dadas estas condiciones, ¿Cuál es el diseño apropiado para una herramienta interactiva que permita a los estudiantes de bachillerato o primeros semestres de universidad tener un acercamiento a una rama tan compleja como la robótica, manteniendo el interés y motivación de dichos estudiantes?

6 Importancia de la Robótica en la Educación [en línea]. Educatronics. Parr. 3. [Consultado: 16 de noviembre de 2016]. Disponible en internet: http://www.educatronics.com/publicaciones/importanc ia-de-la-rob%C3%B3tica-en-la-educacion

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2. JUSTIFICACION

En la región latinoamericana se deben enfocar los esfuerzos para mejorar la calidad de la educación en relación con las materias STEM (Science Technology Engineering and Mathematics), pues para los jóvenes, estudiar carreras profesionales relacionadas con robótica puede ser la vía para un futuro de mejores oportunidades y eso se puede conseguir si las instituciones desarrollan el interés en esas materias desde la educación media y superior.

Según el estudio de 2015 Finding Your Workforce: Latinos in STEM de la organización Excelencia in Education7; debido a lo anterior, varias instituciones educativas buscan la implementación de plataformas educativas como las Lego MindStorm8 para acercar a los estudiantes de últimos niveles de bachillerato con áreas relacionadas a la robótica, para promover la formación de profesionales en ingeniería. Sin embargo, el Banco Mundial afirmó en 2014 con el informe El emprendimiento en América Latina: muchas empresas y poca innovación que las empresas de la región se ven entorpecidas por los bajos niveles de innovación en comparación a otras partes del mundo9.

Según un el Informe de Emprendimiento del Banco Mundial, uno de los factores que contribuyen a la falta de innovación de América Latina es la carencia de ingenieros y científicos. Además, el estudio indica que históricamente las universidades de la región han hecho hincapié en las humanidades, el derecho y las disciplinas sociales, económicas y políticas, lo que agrava la problemática.

Teniendo en cuenta lo anterior, las tendencias marcadas por la revolución tecnológica están dando paso a nuevas necesidades en el mercado laboral y en la sociedad, y es aquí donde la robótica juega un papel muy importante cuando se desea buscar una solución eficiente. Esta permite la implementación de máquinas y herramientas, concebidas gracias a la combinación de diversas disciplinas como: 7 DIAZ, Carmen Graciela. Cómo estudiar robótica puede ser un instrumento liberador para los hispanos [en línea]. Univision noticias. 4 de abril de 2016, Parr. 14. [Consultado: 5 de julio de 2016]. Disponible en internet: https://www.univision.com/noticias/educacion-secundaria/como-estudi ar-robotica-puede-ser-un-instrumento-liberador-para-los-hispanos

8 31313 MINDSTORMS EV3 [en línea]. Lego. [Consultado: 5 de julio de 2016]. Disponible en internet: https://www.lego.com/es-ar/mindstorms/products/mindstorms-ev3-31313

9 DIAZ, Carmen Graciela. Cómo estudiar robótica puede ser un instrumento liberador para los hispanos [en línea]. Univision noticias. 4 de abril de 2016, Parr. 27. [Consultado: 5 de julio de 2016]. Disponible en internet: https://www.univision.com/noticias/educacion-secundaria/como-estudi ar-robotica-puede-ser-un-instrumento-liberador-para-los-hispanos

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la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial, la ingeniería de control y la física10.

Debido a las implicaciones que conlleva preparar a un profesional en ingeniería, se deben recurrir a metodologías de aprendizaje que destaquen la importancia del hacer. Tradicionalmente en Colombia y en Latinoamérica, los primeros semestres de las ingenierías se enfocan en las matemáticas y las ciencias, son pocos los elementos prácticos que permiten demostrar el potencial de estas áreas para el desarrollo de tecnología innovadora. Por lo anterior, la mayoría de los estudiantes presentan vacíos conceptuales, que dificultan el proceso de aprendizaje11.

Para esto existe una alternativa pedagógica llamada Construccionismo la cual se plantea que las actividades prácticas facilitan que los estudiantes estén activos durante el aprendizaje, lo que da paso a una construcción de estructuras propias de conocimiento de manera paralela a la construcción de objetos12.

Finalmente, desde hace varias décadas diferentes compañías fabricantes de juguetes y de herramientas para la educación han desarrollado kits y/o plataformas didácticas, que en el mercado tienen un alto costo, lo que representa un obstáculo para las instituciones educativas que deseen implementar una herramienta de aprendizaje interactiva. Es por esto que en este proyecto se pretende desarrollar una alternativa donde el estudiante se involucre en las etapas cruciales de fabricación de un producto constituido por materiales de bajo costo, también la implementación de hardware y software open-source respaldado por una gran comunidad, que sea realizable a través de técnicas de prototipado rápido y que sea de fácil e intuitiva programación por medio de un entorno gráfico amigable.

10 Empleos del futuro: Ingeniero en Robótica [en línea]. Universia España. 4 de abril de 2016, [Consultado: 6 de julio de 2016]. Disponible en internet: http://noticias.universia.es/practicas-empleo/noticia/2016/03/31/1137549/empleos-futuro-ingeniero-robotica.html

11 ¿Por qué los ingenieros se están extinguiendo en el país? Op cit., Disponible en Internet: https://www.semana.com/educacion/articulo/ingenierias-en-colombia/478860

12 ACKERMANN, Edith. Piaget’s Constructivism, Papert’s Constructionism: What’s the difference? [en línea]. Boston, Estados unidos: MIT Learling Media Publication, [Consultado: 22 de julio de 2016]. Disponible en internet: http://learning.media.mit.edu/content/publications/EA.Piaget%20_%20Papert.pdf

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Desarrollar una plataforma educativa en robótica de manipuladores que permita generar un acercamiento a jóvenes con intereses afines a la robótica, construcción y operación de brazos manipuladores a través de técnicas de prototipado rápido.

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Seleccionar 3 morfologías de manipuladores para implementar en la plataforma didáctica.

• Diseñar, seleccionar y/o fabricar las diferentes estructuras, partes, actuadores y sensores que componen cada robot de tal manera que sea fácil de ensamblar, conectar y reconfigurar.

• Desarrollar y/o seleccionar una interfaz de usuario amigable que permita la programación de diversas rutinas a personas con poco conocimiento o experiencia con la robótica.

• Generar una propuesta de taller didáctico y la documentación necesaria que permita replicar y validar el funcionamiento de la plataforma robótica.

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4. ANTECEDENTES

En el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) en la década de los 80 Seymour Paper y varios de sus colegas desarrollaron el concepto educativo del construccionismo, donde buscaban que el estudiante aprendiera en gran medida de sus propias acciones involucrando la creatividad y organización de sus ideas en el desarrollo de una creación de su autoría, en diferentes áreas del conocimiento. Sin embargo, esta idea tomo una fortaleza importante en las áreas relacionadas con la construcción de artefactos físicos, como por ejemplo en la robótica.

En latino américa este concepto se fue cristalizando en Costa Rica en el año 1987 con la creación de la fundación Omar Dengo; donde buscaban potencializar el desarrollo humano, la innovación educativa y las nuevas tecnologías por medio de la ejecución de proyectos nacionales y regionales. Así mismo en Perú a principio de los 90 IBM implemento en varios colegios regionales diferentes laboratorios donde los estudiantes interactuaban con estas plataformas. Esto tuvo un gran impacto dando por resultado el proyecto Infoescuela que logro aplicarse en 400 instituciones públicas del país en 14 diferentes regiones a lo largo del territorio nacional13.

En ciudades como Barcelona y Sevilla en España, se han ofrecido cursos de robótica en Edukative, empresa líder en robótica educativa de la región, que posee un gran catálogo de servicios como actividades extracurriculares y talleres de verano especializados en que los jóvenes interactúen con herramientas de aprendizaje en robótica móvil y de manipuladores14.

En la actualidad existen diferentes sistemas de enseñanza interdisciplinarios que potencian el desarrollo de habilidades y competencias en alumnos por medio de la robótica educativa. Donde se busca guiar a los estudiantes en una en aprendizaje orientado a la acción y que por sus propios méritos puedan desarrollar conocimientos nuevos por medio de la aplicación y puesta en práctica de sus ideas. Este principio básico es el pilar con el que cuentan las diferentes plataformas interactivas que se encuentran en el mercado a mencionar.

13 Importancia de la Robótica en la Educación [en línea]. Educatronics. Parr. 4. [Consultado: 16 de noviembre de 2016]. Disponible en internet: http://www.educatronics.com/publicaciones/importanc ia-de-la-rob%C3%B3tica-en-la-educacion

14 ¿Quiénes somos? [en línea]. Edukative. [Consultado: 20 de junio de 2016]. Disponible en internet: https://edukative.es/empresa-de-robotica-educativa/

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4.1 LEGO MINDSTORMS EV3

Figura 1 Kit de robótica LEGO Mindstorms EV3.

Fuente: Sin autor. Kit LEGO Mindstorms EV3 [imagen]. Lego. [Consultado: 21 de junio de 2016]. Disponible en internet: https://www.lego.com/es-es/mindstorms/products/mindstorms-ev3-31313

La ya conocida empresa danesa de bloques de plástico interconectados, desarrollo una línea de robótica llamada Mindstorms (ver Figura 1) en la que intervienen diferentes periféricos como sensores, actuadores y centro de control que sirven para construir diferentes robots tanto bioinspirados como maquinas que simulan procesos industriales. Estos kits han tenido gran acogida en el sector educativo y han impulsado muchos grupos de investigación a pequeña escala a nivel mundial.

4.2 FISCHERTECHNIK INDUSTRY

Es una empresa dedicada a la robótica en diferentes ámbitos de la educación, en particular cuenta con diferentes kits de simulación de procesos industriales extremadamente complejos y con un acercamiento muy próximo a lo que puede ser una línea de ensamble y almacenamiento en la vida real (ver Figura 2). Cuenta con diferentes piezas, actuadores, sensores y controladores conectados en diferentes redes de comunicación con protocolos estándares.

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Figura 2 Kit de robótica Fischertechnik factory simulation.

Fuente: Factory Simulation 24V [imagen]. Fischertechnik. [Consultado 21 de junio de 2016]. Disponible en internet: https://www.fischertechnik.de/en/products/simulating/training-models/536634-sim-factory-simulation-24v-simulation

4.3 DESARROLLOS LOCALES

Estas son solo una muestra de la variedad de productos que se encuentran en el mercado enfocados a la robótica educativa; sin embargo, en el proceso de diseño de la solución planteada, se ha desarrollado un primer acercamiento con la fabricación de un robot manipulador por medio de técnicas de prototipado rápido el cual se muestra en la Figura 3.

Este primer desarrollo se realizó por medio de unos planos de hardware libre los cuales se cortaron en acrílico de 3mm con una cortadora laser. Y posteriormente se ensamblaron con tornillería milimétrica. Este manipulador contaba en cada articulación con un micro servo y un total de 3 grados de libertad. Cada servo se controló por medio de una tarjeta arduino uno donde se conectaba la señal de PWM a los puertos de salida digital del arduino. Este manipulador se programó por medio del software Matlab sin embargo puede ser programado en diferentes ambientes de programación más amigables al usuario. En este desarrollo sirvió como un preámbulo a lo que se desea realizar en el producto final debido a los elementos a utilizar.

Es importante mencionar que en la ciudad de Cali se encuentra constituida una empresa privada llamada “niños del futuro”, la cual presta el servicio de enseñanza por medio de pedagogía constructivista en diferentes áreas del conocimiento como lo son la robótica, arquitectura, diseño gráfico y programación. Esta empresa cuenta

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con varias plataformas tipo open source diseñadas para tener una experiencia más inmersiva en el aula educativa15. La creación de empresas que explotan estos recursos de formación constructivista está en expansión a nivel mundial con la tendencia que han implantado los ya conocidos FabLabs que buscan motivar a la comunidad en general a la creatividad y desarrollo de ideas innovadoras que aporten al desarrollo intelectual del ciudadano.

Figura 3 Robot manipulador MeArm.

Fuente: MURIEL, Cristian. MeArm v0.4. [fotografía]. Cali. 2015

Estos kits de desarrollo de robótica como el LEGO NXT son muy utilizados en diferentes aplicaciones educativas, inclusive se han realizado trabajos de grado en dicha materia utilizando estas herramientas. En la Universidad Autónoma de Occidente el hoy ingeniero mecatrónico Antonio José Requejo Abonía realizó su trabajo de grado en el diseño e implementación de dos brazos robóticos que trabajan en un ambiente cooperativo y su estructura fueron construidas con las piezas que componen el kit LEGO Mindstorms NXT. Este trabajo contaba con un análisis matemático y físico de los manipuladores y su respectiva programación que mostraban un comportamiento muy cercano a lo obtenido en las teorías de cinemática y dinámica tanto inversa como directa16. Esto da una idea de que tan

15 ¿Quiénes somos? [en línea]. Robótica para niños del futuro. [Consultado: 20 de junio de 2016]. Disponible en internet: http://xn--niosdelfuturo-jkb.com/

16 REQUEJO ABONIA, Antonio José. Diseño e implementación de dos brazos robóticos trabajando en ambiente cooperativo: Introducción. [en línea].Trabajo de grado Ingeniero Mecatrónico Cali, Universidad Autónoma de Occidente Facultad De Ingeniería .Departamento De Automática Y Electrónica 2012. 16 p [Consultado: 21 de junio de 2016]. Disponible en internet: Base de datos Universidad Autónoma de Occidente. https://red.uao.edu.co/bitstream/10614/3186/1/TMK01029.pdf

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versátiles pueden resultar estas plataformas a la hora de realizar labores didácticas en todos los niveles de formación.

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5. MARCO TEORICO

Con el fin de entender a cabalidad como se va desarrollar esta plataforma, es importante tener claros varios conceptos que determinan como se va conjugar toda una solución ingenieril en un ambiente educativo. Por tal motivo se considera de vital importancia el papel que juega la pedagogía en este proyecto. A continuación, se mencionan los conceptos más importantes.

5.1 CONSTRUCCIONISMO

Es una teoría de aprendizaje desarrollada por Seymour Papert en 1999 y a su vez basada en las teorías psicológicas de Jean Piaget que plantean un enfoque que ayuda a comprender como las ideas son entendidas y transformadas cuando se expresan por diferentes medios. Esta teoría adjudica que la mejor forma de aprender es construyendo su propio conocimiento por parte del estudiante. Esto indica que el educando construye así mismo su conocimiento paralelamente como construye su entorno. Papert plantea que “… he adaptado la palabra construccionismo, para referirme a todo lo que tiene que ver con hacer cosas y especialmente con aprender construyendo, una idea que incluye la de aprender haciendo, pero va más allá de ella”17.

Esta teoría plantea que el conocimiento se edifica y el sistema educativo debe brindar las estrategias que lo permitan desarrollar y a su vez brindar oportunidades para que el estudiante se involucre en actividades creativas. Es por esto que se afirma que si se desea una educación con altos niveles es necesario ofrecerle al estudiante más oportunidades de construir objetos físicos y tangibles18.

Ahora bien con estas tendencias en educación, se busca incidir sobre cuál es el medio ambiente correcto para permitir un proceso natural de adquisición y construcción de ciencia y tecnología por parte de los estudiantes jóvenes; y es ahí donde interviene la robótica, siendo una ciencia que combina un ambiente de ensamble de diferentes piezas mecánicas y a su vez permite llevarlos

17 ZALDIVAR C. Xiomara P., et al. Procesos de aprendizaje aplicables en la robótica pedagógica [en línea]. En: XII Congreso Mexicano de Robótica. Universidad Autónoma de Sinaloa. Noviembre, 2010, p. 257. [Consultado: 25 de junio de 2016]. Disponible en internet: https://www.academia.edu/374901/Procesos_de_aprendizaje_aplicables_en_la_rob%C3%B3tica_pedag%C3%B3gica

18 Innovación en Robótica Educativa: Antecedentes [en línea]. Robotuc. [Consultado: 6 de febrero de 2017]. Disponible en internet https://robotuc.wordpress.com/antecedentes/

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progresivamente a identificar el sistema de codificación (simbólico) propicio para proveer un control por medio de computadoras a dispositivos animatronicos19.

5.2 ROBOTICA EDUCATIVA

En búsqueda de la creación de nuevos ambientes educativos que estén en la vanguardia en lo que a ciencia y tecnología se refiere, se han producido ciertos cambios al modelo educativo unidireccional basado en la transmisión y recepción de conocimiento. Las Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC) han tenido un aporte en la implementación de ambientes de aprendizaje motivadores y a su vez la robótica educativa surge como solución al integrar las (TIC) en las aulas.

Este surgimiento promueve a los actuales métodos de enseñanza modificando todos los actores que intervienen en el modelo educativo. En este aspecto, se sugiere el uso de robots en el salón de clases constituyendo un apoyo al proceso de aprendizaje debido a la implementación de una formación interdisciplinar.

Así mismo la autora Sara Monsalves González plantea:

La construcción de un Robot Educativo requiere de conocimiento en diversas áreas. Por mencionar algunas, es necesario tener conocimientos de mecánica para poder construir la estructura del robot. También se requieren conocimientos de electricidad para poder animarlo desde el punto de vista eléctrico. Así mismo, es importante tener conocimientos de electrónica para poder dar cuenta de la comunicación entre el computador y el robot. Finalmente, es necesario tener conocimientos de informática para poder desarrollar un programa en cualquier lenguaje de programación que permita controlar al robot (Liang, Readle & Alder, 2006; Ruiz-Velasco, 2007)20.

19 VELAZCO S., Enrique R. Constructivismo, construccionismo y robótica. Madrid, España: Editorial Dıaz de Santos, S.A, 2013. p. 15.

20 MONSALVES G., Sara. Estudio sobre la utilidad de la robótica educativa desde la perspectiva del docente [en línea]. En: Revista de Pedagógica. Universidad central de Venezuela. Enero – junio de 2011, vol. 32, no. 90, p. 85. [Consultado: 5 de febrero de 2017]. Disponible en: http://www.redalyc.org/pdf/659/65920055004.pdf

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5.3 ROBOT MANIPULADOR

Es un conjunto de sistemas electrónicos, de control y mecanismos que conforman una maquina totalmente automática servocontrolada formada generalmente por elementos en serie, articulados entre sí (ver Figura 4), destinada al agarre y desplazamiento de objetos, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca, configuración que depende del campo de aplicación. Posee una unidad de control que incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del entorno. Es multifuncional lo que le permite adaptarse a diferentes tipos de tareas cíclicas sin que represente cambios permanentes en su estructura y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo lógico21.

Figura 4 Robot manipulador The-SMART-NS16.

Fuente: ROMANELLI, Fabrizio. The SMART NS16 industrial robot manipulator [imagen]. AdvancedMethods for Robot-Environment Interaction towards an Industrial Robot Aware of Its Vol. Turin, Italia: Hindawi Publishing Corporation: Journal of Robotics. 2011. p. 10. [Consultado: 10 de febrero de 2017]. Disponible en internet: https://www.researchgate.net/publication/258379434_Advanced_Methods_for_Robot-Environment_Interaction_towards_an_Industrial_Robot_Aware_of_Its_Volume?_sg=wODSuXXt7sq7J2lVz2agJFISe0wI8nz9o3tr02WxNgJEJKsdhoLx__mO9SnGKD_0TRLHYGFp4g

21 BARRIENTOS, Antonio. Fundamentos de robótica. 2 ed. Madrid, España: Mc Graw Hill, 2007. p. 10.

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Estos robots manipuladores a nivel más detallado, se componen diferentes elementos: estructura mecánica, transmisiones, sistemas de accionamiento, sistema sensorial, sistema de control y elementos terminales; y a su vez son muy similares a una extremidad humana. Integrando elementos fijos llamados eslabones, y estos a su vez están interconectados con articulaciones que proporcionan movimiento, en la Figura 5 se muestran algunos tipos de articulaciones para robots manipuladores.

Figura 5 Distintos tipos de articulaciones para robots.

Fuente: Barrientos, Antonio. Distintos tipos de articulaciones para robots. [imagen]. Madrid, España. Mc Graw Hill. 2007. p. 17.

Como cada articulación proporciona uno o más movimientos con respecto a los eslabones que la conectan, estos movimientos reciben el nombre de grados de libertad (GDL). En la Figura 5 se muestra los números de GDL que posee cada articulación. Sin embargo, en la práctica es común encontrar solo las articulaciones prismática y rotacional, cada una con un solo grado de libertad. Como es habitual utilizar varias articulaciones en un solo manipulador, este va tener tantos grados de libertad como articulaciones lo compongan.

El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un manipulador, determinan que tipo de morfología es la que adopta y esto va ligado directamente a los GDL. Las morfologías más usadas se muestran a continuación.

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Figura 6 Configuraciones más frecuentes en robots manipuladores.


Todo robot manipulador, como su nombre lo indica interactúa con su entorno para manipular herramientas o trasladar objetos; por lo tanto, estos cuentan en su extremo con elemento llamado efector final. Estos efectores pueden variar dependiendo de sus aplicaciones desde una mano o gripper mecánico que sujeta las piezas con unos pequeños “dedos”, ventosas neumáticas que generan vacío, hasta herramientas especializadas como electrodos de soldadura, sopletes, etc22. (ver Figura 7).

22 KUMAR, Sumir. Introducción a la robótica. Bombay, India: Mc Graw Hill, 2010. p. 18.

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Figura 7 Diferentes tipos de efectores finales.

Fuente: BOUCHARD, Samuel. [imagen]. How To Choose The Right Robotic Gripper For Your Application. [Consultado: 10 de febrero de 2017]. Disponible en internet: https://blog.robotiq.com/bid/33127/How-To-Choose-The-Right-Robotic-Gripper-For-Your-Application

5.4 PLATAFORMAS DE DESARROLLO BASADAS EN MICROCONTROLADORES

Las plataformas de desarrollo juegan un papel muy importante en la electrónica actual, debido a la reducción de tiempo en la ejecución de prototipos asociados a una problemática. Proporcionan al programador una solución eficaz, aumentando la confiabilidad y ejecución de diferentes soluciones.

Generalmente estas placas cuentan con una serie de dispositivos como microcontroladores, memorias, puertos de entrada–salida, protocolos de comunicación y diferentes circuitos integrados de múltiples propósitos23. Estas plataformas por lo general son open source donde existe una comunidad que constantemente trabaja en pro de proporcionar información y soporte de forma 23 Plataformas de Desarrollo basadas en Microcontroladores: Acelerando la creación de soluciones electrónicas [en línea]. Electro industria. diciembre de 2010, parr. 3. [Consultado: 5 de febrero de 2017]. Disponible en internet: http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=1539

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gratuita. Uno de los productos más populares del mercado de las plataformas basadas en micro-controladores es el Arduino (ver Figura 8), muy utilizado para prototipado de sistemas electrónicos y comunicación digital.

Figura 8 Plataforma de desarrollo "Arduino uno".

Fuente: Análisis comparativo de las placas Arduino. [imagen]. [Consultado: 5 de febrero de 2017]. Disponible en internet: https://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/18017388/Analisis-comparativo-de-las-placas-Arduino.html

5.5 LENGUAJES DE PROGRAMACION VISUAL

Estos lenguajes de programación se basan en las ideas constructivistas del lenguaje de programación Logo desarrollado por Seymour Papert. Estos entornos les permiten a los usuarios crear proyectos multimedia interactivos hasta proyectos basados en hardware libre. La programación se realiza con la interconexión de diferentes bloques de comandos diferenciados entre sí por colores y formas para ser más amigable al usuario (ver Figura 9).

Papert defendía que las lenguas de programación debían tener un “suelo bajo” (fácil empezar a programar) y un “techo alto” (oportunidades de crear proyectos más complejos con el tiempo). Además, los creadores de Scratch,∗ Resnick et al. 2009

∗ Scratch es un lenguaje de programación visual desarrollado por el MIT Media Lab.1 Scratch es utilizado por estudiantes, académicos, profesores y padres para crear fácilmente animaciones, juegos, etc.

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añaden, que los lenguajes de programación necesitan “amplias paredes” (capacidad de englobar diferentes tipos de proyectos para que personas con intereses y estilos muy diversos se animen a programar). Para conseguir que estos objetivos sean posible, los creadores de Scratch (Resnick et al. 2009) han introducido tres principios o características básicas en el diseño de este lenguaje de programación. Estos principios son: que la lengua de programación sea lúdica, significativa y social24.

Figura 9 Ejemplo de secuencia de lenguaje de programación visual.

Fuente: HOSICK, Eric. Blockly [imagen]. Visual Programming Languages – Snapshots. [en línea] blog.interfacevision. [Consultado: 6 de febrero de 2017]. Disponible en internet: http://blog.interfacevision.com/design/design-visual-progarmming-languages-snapshots/

24 LOPEZ E., Carmen y SANCHEZ M., Rafael. Scratch y Necesidades Educativas Especiales: Programación para todos [en línea]. En: Revista de Educación a Distancia. 2012, no. 34, p. 3. [Consultado: 5 de febrero de 2017]. Disponible en internet: http://revistas.um.es/red/article/view/233521/179471

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6. METODOLOGIA

Para el diseño e implementación del prototipo funcional de una plataforma robótica interactiva de manipuladores de carácter educativo se adaptará la metodología Proceso genérico de desarrollo del producto desarrollada por Karl T. Ulrich y Steven D. Eppinger en su libro Diseño y desarrollo de productos, esta consiste en un conjunto de seis fases que deben ser seguidas para concebir, diseñar y comercializar un producto, así mismo se tomaron varios conceptos obtenidos a través de la línea desarrollo de productos en ingeniería mecatrónica. Esta adaptación se realiza teniendo en cuenta las fases que se consideran críticas respecto al tipo de producto que se desea desarrollar.

En la siguiente sección se describen de manera más precisa el contenido de cada una de las fases del proceso de desarrollo, las cuales se aplican durante la ejecución del cronograma del proyecto y estarán articuladas al cumplimiento de cada uno de los objetivos planteados con anterioridad, a continuación, se muestra un diagrama explicativo en la Figura 10

Figura 10 Proceso de desarrollo del producto.

Fuente: ULRICH, Karl T. & EPPINGER, Steven D., Diseño y desarrollo de productos, 2013. Ed. Mc Graw Hill Education, p. 14.

En la Figura 10 se muestran cada una de las fases correspondientes al proceso de desarrollo del producto, cabe resaltar que en cada una de ellas está la posibilidad de retroalimentar en caso de que se requiera una validación durante el proceso.

6.1 PLANEACION

A esta actividad se le conoce a veces como “fase cero” porque precede a la aprobación del proyecto y a la iniciación del proceso real de desarrollo del producto. Esta fase comienza por el planteamiento de la misión del proyecto donde se

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menciona de manera específica la descripción de la plataforma a desarrollar teniendo en cuenta el objetivo de desarrollar una plataforma didáctica en robótica de manipuladores que permita promocionar y fomentar el interés en las áreas de la ingeniería mecatrónica y la robótica, seguido a esto se definen los objetivos de mercado; luego se determinan la premisas y restricciones que determinan los procesos de manufactura usados, el enfoque modular que se le desea implementar tanto a nivel de software - hardware y la cantidad de morfologías a desarrollar, seguidamente se identifican las partes implicadas en todo el proceso de fabricación y comercialización del producto no dejando de lado el tema educativo.

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6.1.1 Planteamiento de la misión del proyecto.

Cuadro 1 Planteamiento de la misión del proyecto.

Descripción del Producto

Plataforma didáctica que genera un acercamiento a las técnicas de prototipado rápido en la construcción y programación de manipuladores robóticos con fines educativos.

Objetivo del Marketing

Un margen de 30% de ganancias. Establecerse en un 10% de las instituciones educativas que tengan programas en robótica a nivel regional. Fomentar el interés en jóvenes afines a la ingeniería mecatrónica. Producto terminado en finales de noviembre del 2017.

Mercado Primario Instituciones educativas de nivel superior que cuenten con maquinaria de prototipado rápido como cortadoras laser e impresión 3D.

Mercado Secundario

Instituciones educativas de nivel técnico que puedan adquirir un kit completo ya fabricado. Personas con intereses en robótica didáctica que adquieran kit completo ya fabricado.

Premisas y Restricciones

Debe ser posible de fabricar por medio de prototipado rápido. El control de los manipuladores debe ser posible por medio de un entorno grafico de programación a través de bloques secuenciales. La plataforma debe tener la posibilidad de ser reconfigurada por medio de módulos fabricados bajo los estándares propuestos por los diseñadores. Se realiza en planteamiento de tres (3) diferentes tipos de morfologías de manipuladores robóticos. El dispositivo debe ser estéticamente pulido y atractivo para los usuarios.

Partes Implicadas

Departamento de diseño. Departamento de validación y pruebas. Personal de ventas. Decanaturas de universidades. Jefes de departamento y directores de programas. Laboratoristas. Instructor y personal de apoyo. Estudiantes. Acudientes de los estudiantes.

Fuente: Elaboración propia.

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6.2 DESARROLLO CONCEPTUAL

6.2.1 Identificación de las necesidades del cliente.

Para el proceso de identificación de necesidades del cliente, se obtuvieron los datos primarios por medio de entrevistas personales a algunas de las partes implicadas como lo son estudiantes, instructores, jefe de departamento y director de programa de ingeniería mecatrónica de la Universidad Autónoma de Occidente. Adicional a esto, se recopiló información observando el uso de productos similares en ambientes de trabajo educativo, como la utilización de robots manipuladores en el laboratorio de robótica de la Universidad y la experiencia obtenida a través de la utilización de plataformas robóticas y entornos de programación didácticos.

A continuación, se muestra el Cuadro 2 con la importancia relativa de las necesidades interpretadas por el equipo de diseño. Esta importancia fue determinada apoyándose en la aprobación de los miembros del grupo de diseño con base en su criterio y experiencia en la utilización de plataformas robóticas didácticas.

Cuadro 2 Necesidades interpretadas con sus respectivos pesos.

Requerimientos del cliente Pesos del cliente 1 Fácil Transporte 3 2 Re configurable 9 3 Apreciar movimiento de los objetos 3 4 Resistente a golpes 3 5 Fácil ensamble 9 6 Fácil programación 9 7 Seguro 3 8 Flexibilidad de movimiento 3 9 Permita manipular objetos 3

10 Fácil fabricación 9 11 Bajo consumo energético 1 12 Que sea modular 3 13 Diseño sea llamativo 3


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6.2.2 Definición de las métricas de diseño.

Con el fin de desarrollar un artículo que cumpla a cabalidad con las necesidades del cliente, se definen un conjunto de atributos llamados métricas. Estos atributos deben ser medibles en cierto modo y a su vez determinarán las especificaciones del producto terminado. Es importante que estén relacionados directamente a lo sumo con una necesidad para poder cuantificar qué tanto se está atacando dicha necesidad en el diseño propuesto. En el Cuadro 3 se muestra las métricas propuestas.

Cuadro 3 Métricas de ingeniería.

Métricas de Ingeniería Unidad de medición Peso de estructura Kg

Numero de configuraciones para armar Unidad Alcance máximo cm

Numero de caídas a 1,5 metros Unidad Numero de herramientas de ensamble Unidad

Numero de partes Unidad Interfaz gráfica de programación Binaria

Ítems de seguridad Lista Numero de grados de libertad Unidad

Peso máximo de carga Kg Máxima apertura gripper cm

Numero de máquinas para fabricar Unidad Consumo eléctrico de motores W

Hardware/software abierto a modificaciones Binario Nivel de atractivo Subjetivo


6.2.3 Establecimiento de las especificaciones del producto.

Luego de definir las métricas se procede a utilizar esta información en la herramienta QFD (Quality Function Deployment). Como primer paso se representa las relaciones entre las necesidades y métricas a través de una matriz (Ver Cuadro 4) en donde las filas corresponden a las necesidades del cliente y las columnas corresponden a las métricas; cada una de las celdas de la matriz contiene un indicador llamado rendimiento relativo que significa el grado (en escala cuadrática) en que el producto satisfará cada métrica.

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Esta herramienta es importante porque da como resultado el peso relativo de cada métrica, siendo este un indicador importante a la hora de desarrollar los futuros conceptos dando una visión de los parámetros a los que se les debe dar más importancia ya que satisfacen en un mayor grado las necesidades del cliente. Este peso relativo se obtiene haciendo una suma ponderada del rendimiento relativo multiplicado por el peso de cada una de las necesidades; una vez obtenidos los valores netos, se saca el porcentaje con respecto al total.

Cuadro 4 Correlación de necesidades y métricas.


Como se muestra en el Cuadro 4, las métricas más importantes son las siguientes:

• Numero de configuraciones para armar 13%

• Numero de partes 11%

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• Numero de herramientas de ensamble 10%

• Interfaz gráfica de programación 9%

• Numero de grados de libertad 9%

• Nivel de atractivo 9%

Este porcentaje es muy importante debido a que al optimizar estas métricas se puede lograr una mayor aceptación del cliente ya que son las que más se relacionan con las necesidades que el usuario final va a percibir.

Ahora bien, es importante saber la dirección de mejoramiento de las métricas y como estas se afectan entre sí de manera positiva o negativa, por lo cual se realiza una matriz donde se buscan conflictos al momento de aumentar o disminuir el target. A continuación, se muestra en la Tabla 4 la correlación de las métricas siendo afectadas de forma positiva (+), muy positiva (++), negativa (-) o muy negativa (- -).

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Cuadro 5 Correlación de métricas de ingeniería.


En esta etapa también es importante comparar la plataforma a diseñar con productos similares que existan en el mercado. Esto con el fin de dar una aproximación de la competitividad que pueda tener con respecto a la competencia en términos de ingeniería. Esta comparación se le da el nombre de Benchmarking y consta de dos etapas, la primera es la percepción del cliente en términos cualitativos con respecto a las necesidades expresadas, este se muestra en el Cuadro 6. Los productos comparados se muestran a continuación.

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Figura 11 Robotis Manipulator L.

Fuente: Robotis manipulator L. [imagen]. Robotis. [Consultado: 6 de julio de 2016]. Disponible en internet: http://www.robotis.us/robotis-manipulator-l/

Figura 12 Fischertechnik ROBO TX Automation Robots.

Fuente: Fischertechnik ROBO TX Automation Robots. [imagen]. Ro-botica. [Consultado: 6 de julio de 2016]. Disponible en internet: https://ro-botica.com/Producto/ROBO-TX-Automation-robots-Fischertechnik/

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Figura 13 OWI Robotic arm edge.

Fuente: Pow science. [imagen]. powsciencetoys [Consultado: 6 de julio de 2016]. Disponible en internet: https://www.powsciencetoys.com/robotic-arm-edge.html

Figura 14 Lynxmotion AL5D Robotic Arm.

Fuente: Robot shop [imagen]. robotshop. [Consultado: 6 de julio de 2016]. Disponible en internet: https://www.robotshop.com/en/lynxmotion-al5d-4-degrees-of-freedom-robotic-arm-combo-kit-no-software.html

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Cuadro 6 Percepción del cliente.


Seguidamente se realiza el benchmarking técnico con las métricas de ingeniería y las unidades de medición de cada una de las métricas. En este caso, se recopila la información de las especificaciones técnicas de cada una de las plataformas y de los manuales de usuario. Algunos datos no se obtuvo información por lo cual se deja una casilla en blanco.

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Cuadro 7 Benchmarking técnico.


En el Cuadro 7 también se observa los objetivos técnicos que el equipo de diseño espera obtener como resultado en la implementación de la plataforma didáctica dando así las especificaciones preliminares que tendrá el producto final.

6.2.4 Generación de conceptos iniciales.

Durante el proceso de diseño de un producto van apareciendo muchos desafíos como para ser resueltos en un solo problema por lo que es necesario dividir en varios sub-problemas más sencillos para lograr una solución factible. Para eso se llevó a cabo el proceso de descomposición funcional, consiste inicialmente en la representación de la función general del producto en una caja negra (Ver Figura 15) donde se definen un conjunto de entradas y salidas tales como materiales, energía y señales.

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Figura 15 Caja negra, descomposición funcional.


Una vez se definen cada una de las sub-funciones que componen el producto, se realiza un análisis especifico a los sub-problemas críticos que implican mayor tiempo y esfuerzo de diseño, de forma que su correcta implementación aumente las probabilidades de éxito del producto. Para encontrar una solución general al problema de diseño es necesario implementar un dispositivo que integre componentes de hardware tales como motores, sistemas de micro-control, acondicionamiento de señales, transmisión de potencia, y sistema de sujeción; y una componente de software dada por interfaz de programación y cálculo de trayectorias de movimiento. Por otra parte, se tiene una componente adicional que consiste en acondicionar el diseño a nivel de estructural, electrónico e interfaz de programación para que a través de herramientas y métodos sencillos sea posible armar y poner en marcha la plataforma robótica.

Una vez se complete la descomposición del problema, y se hayan escogido los sub-problemas más críticos se procede a diferir entre las diferentes alternativas de solución de las sub-funciones de la ruta crítica (Ver Figura 16). Inicialmente se realiza una búsqueda externa, que describe la exploración continua de soluciones existentes a los sub-problemas de la ruta crítica, y se organizan en una tabla de combinación de conceptos con tal de obtener diferentes soluciones completas para el problema de diseño en cuestión, cabe aclarar que de ningún modo todas las combinaciones posibles son una solución al problema general o son realizables en la práctica. A continuación, se muestra la combinación de conceptos propuesta (Ver Figura 17).

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Figura 16 Caja transparente, descomposición funcional más detallada, en rojo sub-funciones críticas.


Figura 17 Combinación de conceptos.


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6.2.5 Diseño concurrente.

Según el planteamiento en la tabla de combinación de conceptos (Ver Figura 17) se procede a la generación de conceptos desde los criterios SBCE (Set-Based Concurrent Engineering), este procedimiento permite explorar simultáneamente múltiples soluciones para el producto, además de eliminar progresivamente soluciones “débiles” mediante un proceso rápido y de bajo costo para finalmente convergir a una solución efectiva y concreta.

Concepto A:

Figura 18 Concepto A.

Fuente: MK ll – Gripper with servo. [imagen]. Cytron. [Consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: https://www.cytron.io/p-rg03a


En este concepto (Ver Figura 18), para la sujeción de objetos se usa un gripper con mecanismo de 4 barras como efector final, para el traslado del objeto en el espacio de trabajo se implementa una estructura mecánica tipo cilíndrico.

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Concepto B:

Figura 19 Concepto B.

Fuente: Gripper pequeño (pinza para robot). [imagen]. Dinamo electronics. [Consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: https://www.dynamoelectronics.com/accesorios-para-robots/278-gripper-pequeno-pinza-para-robot.html


En este concepto (Ver Figura 19), para la sujeción de objetos se usa un gripper tipo traslacional como efector final, para la estructura mecánica se implementa una morfología tipo antropomórfico.

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Concepto C.

Figura 20 Concepto C.



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Concepto D.

Figura 21 Concepto D.

Fuente: Standard gripper kit A – Channel Mount. [imagen]. Sparkfun. [Consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: https://www.sparkfun.com/products/13174


En este concepto (Ver Figura 21), para la sujeción de objetos se usa un gripper tipo rotacional como efector final, para la estructura mecánica se implementa una morfología tipo cartesiano.

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6.2.5.1 Descripción técnica de las alternativas.

Interpretar lenguaje de máquina. Este sub-problema constituye el dispositivo de hardware encargado de controlar los movimientos de la plataforma robótica por medio de instrucciones grabadas previamente con una interfaz de programación, en el mercado existen varias alternativas que ofrecen especificaciones técnicas de acuerdo con el tipo de necesidades del cliente. Teniendo en cuenta el proceso de identificación de las necesidades y análisis QFD, se requiere que el dispositivo cuente con mínimo 6 salidas PWM para el control de motores y lograr la cantidad de configuraciones de robot requeridas por los usuarios, por otra parte, es necesario que el microcontrolador tenga la facilidad de ser programado con interfaces de graficas intuitivas tal como programación secuencial por bloques.

A continuación, se muestran diferentes alternativas de microcontroladores (Ver Cuadro 8).

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Cuadro 8 Alternativas de solución para microcontroladores.

Descripción Imagen Características

Arduino UNO

Fuente: [imagen]. Análisis comparativo de las placas Arduino. [Consultado: 5 de febrero de 2017]. Disponible en internet: https://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/18017388/Analisis-comparativo-de-las-placas-Arduino.html

µC - ATmega328P. Voltaje de op - 5V. Digital I/O - 14. PWM Digital - 6. Analog Input - 6. Clock Speed - 16 MHz.

Tarjeta de desarrollo PIC

18f2550

Fuente: [imagen]. Sistema bolt 18f255. [Consultado: 11 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: https://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-544269192-kit-sistema-bolt-18f2550-microcontrolador-tarjeta-desarrollo-_JM

µC - PIC18F2550. Voltaje de op - 5V. Digital I/O - 20. PWM Digital - 2. Analog Input - 5. Clock Speed - 48 MHz.

Microcontrolador programable Baby

Orangutan

Fuente: Baby orangutan B-328 Robot controller. [imagen]. Pololu. [Consultado: 11 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: https://www.pololu.com/product/1220

µC - ATmega328P AVR. Voltaje de op - 5V. Digital I/O - 18. PWM Digital - 6. Analog Input - 8. Clock Speed - 20 MHz.


https://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/18017388/Analisis-comparativo-de-las-placas-Arduino.html



https://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-544269192-kit-sistema-bolt-18f2550-microcontrolador-tarjeta-desarrollo-_JM



https://www.pololu.com/product/1220

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Convertir energia electrica en movimiento. La interacción de la plataforma robótica con el entorno físico requiere de actuadores, que realicen el desplazamiento de las partes móviles de la estructura a través de la conversión de energía eléctrica a movimiento mecánico, y que permitan el cambio posición del efector final y así mismo el traslado del objeto a manipular. Dado las condiciones del proyecto y el análisis de los requerimientos del usuario (QFD) se requiere de dispositivos que soporten y desplacen una carga máxima de 300 gramos y que tengan un consumo eléctrico de 60 watts, además que sean adaptables a las articulaciones de cada una de las morfologías de la plataforma y de fácil instalación.

Existen diferentes alternativas para el desplazamiento por medio de la conversión de energía a movimiento rotacional, mostrados a continuación (Ver Cuadro 9)

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Cuadro 9 Alternativas de solución para convertir energía eléctrica en movimiento.


Motor reductor DC

Fuente: Motor dc con caja reductora de torque. [imagen]. Mercado libre. [Consultado: 11 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-463395514-motor-dc-con-caja-reductora-de-torque-_JM

V. Func. – 24V. Potencia – 3W.

Velocidad – 48RPM.

Torque – 2.20 N/m.

Peso – 146gr.

Servomotor DC

Turnigy 1270 HV

Fuente: ZAHI, Ali. Metal gear digital servo TGY-1270HV [imagen]. 4 de junio de 2015. Grabcad. [Consultado: 12 de septiembre de 2017]. Disponible en interneten: https://grabcad.com/library/metal-gear-digital-servo-tgy-1270hv-1

V. Func. – 7.2V Velocidad –

55RPM. Torque – 392.3

N/m. Peso – 170gr.

Motor paso a paso DC

Fuente: Motor paso a paso 2.2 kg/cm, nema 17. [imagen]. Brico Geek. [Consultado: 17 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: http://tienda.bricogeek.com/motores -paso-a-paso/546-motor-paso-a-paso-nema-17-32kg-cm.html

V. Func. – 4V. Velocidad –

1,8°/paso. Torque – 31.4

N/m. Peso – 350gr.


https://grabcad.com/library/metal-gear-digital-servo-tgy-1270hv-1

https://grabcad.com/library/metal-gear-digital-servo-tgy-1270hv-1

56

Acondicionamiento de señal de control. El funcionamiento del sistema de actuadores requiere de dos entradas tipo eléctrico que son transmitidas a través del cableado, una entrada corresponde a la alimentación del dispositivo (motor, servomotor, moto-reductor, etc.), la segunda se encarga de recibir una señal eléctrica proveniente del sistema de micro-control, la cual define el comportamiento del dispositivo acorde a las instrucciones en rutina del robot. Es necesario que este sistema tenga la capacidad de acondicionar la señal de cada uno de los actuadores del sistema de movimiento.

El consumo eléctrico de los actuadores de la plataforma es mayor en comparación al sistema de micro-control, por lo tanto se presentan problemas de ruido eléctrico y comportamientos no deseados cuando las tierras (eléctrica) de ambos sistemas están conectadas a un mismo nodo (IEC_4 Aislamiento eléctrico, para reducción de ruido.pdf), además cada tipo de dispositivo posee interfaces de conexión diferentes que requieren de herramientas y accesorios adicionales, para realizar el acople entre ambos sistemas se requiere de componentes de hardware que faciliten la comunicación, simplifiquen la configuración (conexiones) del robot y aíslen las señales de control (baja potencia) de perturbaciones de circuito de alta potencia.

A continuación, se muestran diferentes alternativas para acondicionamiento de señales e interfaces de conexión (Ver Cuadro 10).

57

Cuadro 10 Alternativas de solución para acondicionamiento de señal de control.


Shield basado en Relé para

aislamiento eléctrico

Fuente: Shield para arduino de 4 relevos. [imagen]. I+D electronica. [Consultado: 20 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: https://goo.gl/jBM3Aj

Salidas – 4 CH. V. Func. – 12V. Pot. Salida – 24VDC @ 3A.

Dispositivo Plug and Play.

Vida útil eléctrica (Min) 100.000 Operaciones.

Vida útil mecánica (Min) 10.000.000

Operaciones.

Aislador eléctrico basado en

fototransistores 4N25

Fuente: Optoacoplador 4n25. [imagen]. Mercado libre. [Consultado: 3 de octubre de 2017]. Disponible en internet: https://articulo.mercadolibre.com.ar/MLA-678011817-optoacoplador-4n25-_JM

Salidas – 1CH. V. Func. – 5V.

Pot. Salida – 5V a 30V @ 150mA.

Frec. Conmutacion –

500kHz. Requiere del diseño de un shield (tarjeta electronica).

Aislador eléctrico basado en

transformadores AD202

Fuente: The AD202 isolation amplifier. [imagen] Technical blog. [consultado: 6 de octubre de 2017]. Disponible en internet: http://e-gizmo.blogspot.com/2013/03/project-bio-amplifier.html

Salidas – 4CH. V. Func. – 15V.

Pot. Salida – 7.5V @ 2mA.

Frec. Conmutación -

2kHz. Requiere del diseño de un shield (tarjeta electronica).


https://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjY4Kr_r9nZAhWtmuAKHaqrADIQjRx6BAgAEAU&url=http://teslabem.com/optoacoplador-4n25.html&psig=AOvVaw0Utnuo6Kcwj7vFF3lmhGI8&ust=1520483341744120

https://www.google.com.co/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwipuO-ZrtnZAhXHneAKHWd3BUoQjRx6BAgAEAU&url=http://e-gizmo.blogspot.com/2013/03/project-bio-amplifier.html&psig=AOvVaw2eb1HXhXDZ7bSJbotHiaHr&ust=1520482854853099

58

Sujecion del objeto. La manipulación de objetos a través del espacio de trabajo se realiza por medio del efector final, el cual tiene variaciones de diseño que dependen del tipo de aplicación del robot. Para el reto de diseño se requiere de un sujetador que tenga una apertura máxima de 3.5 centímetros, que pueda soportar una carga de 300 gramos y que pueda sujetar objetos sólidos, por otra parte, la fuente de alimentación y el peso del dispositivo representan una carga critica para el sistema de movimiento, lo cual condiciona el diseño al nivel del subsistema de actuadores que dan movimiento a el sujetador y a los materiales de fabricación.

En lo que se refiere a precisión de sujeción de objetos, existen varias categorías de sujetadores tipo pinza que son mostrados a continuación (Ver Cuadro 11).

59

Cuadro 11 Alternativas de solución para sujeción de objeto.

DESCRIPCIÓN IMAGEN CARACTERÍSTICAS

Gripper tipo mecanismo de cuatro barras

Fuente: MK ll – Gripper with servo. [imagen]. Cytron. [Consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: https://www.cytron.io/p-rg03a

Apertura – 2 pulgadas.

Peso – 162.4 gramos (sin sevo).

Cap. Carga – 250gramos.

Material – aluminio fundido.

Gripper tipo rotacional

Fuente: Standard gripper kit A – Channel Mount. [imagen]. Sparkfun. [Consultado: 10 de septiembre de 2017]. Disponible en internet: https://www.sparkfun.com/products/13174

Apertura – 4.2 pulgadas.

Peso – 47 gramos (Sin servo).

Cap. Carga – 210 gramos.

Material – Plastico corte laser.

Gripper tipo traslacional


Apertura – 3,3 centimetros.

Peso – 29 gramos (con sevo).

Cap. Carga – 310 gramos.

Material – Plastico inyectado.


60

Trasladar Objeto.

El desarrollo de esta sub-función se basa en la combinación de diferentes tipos de articulaciones que satisfagan las necesidades de alcance máximo, tipo de aplicación, espacio de trabajo, apariencia y rigidez mecánica, variables que definen la estructura donde se soportan todos los elementos físicos (controlador, actuadores, carga máxima, etc.) del robot. En este caso la morfología debe tener un al alcance máximo de 42 centímetros para sujeción de objetos, cinco de grados de libertad y un total de 100 piezas, a continuación, se muestran las principales combinaciones usadas en la industria (Ver Figura 22, Figura 23, Figura 24.y Figura 25).

Configuración cilíndrica.

Figura 22 Morfología de robot cilíndrico.

Fuente: BARRIENTOS, Antonio. Distintos tipos de articulaciones para robots. [imagen]. Madrid, España. Mc Graw Hill. 2007. p. 18, p.

Fuente: Robot de configuración cilíndrica. [imagen]. Udesantiago virtual. [consultado: 3 de octubre de 2017]. Disponible en internet: http://www.udesantiagovirtual.cl/moodle2/mod/book/tool/print/index.php?id=24911#ch225

Este concepto lo define un sistema de traslación lineal vertical y rotacional en el eje Z (prismático), que brinda una mayor estabilidad y precisión al momento de desplazar la carga en el área de trabajo, también posee un desplazamiento lineal en el eje Y para un total de 3 GLD (Grados de Libertad) y un volumen de trabajo teórico 〖9L〗^3 (L=alcance) (Ver Figura 22).

61

Configuración SCARA (Selective Compliance Arm Robot for Assembly).

Figura 23 Morfología de robot SCARA.



Posee cuatro GLD, un total de tres articulaciones tipo rotacional y una con desplazamiento lineal (prismático), posee un volumen de trabajo teórico 〖12.5L〗^3, puede realizar movimientos horizontales de mayor alcance (Ver Figura 23) debido a las articulaciones rotacionales que brinda una configuración orientada al ensamblado de piezas.

Presenta mejor estabilidad frente a la gravedad y a su capacidad de carga, como se puede observar (Ver Figura 23) los eslabones se conectan mediante ejes verticales, que le confiere sencillez desde el punto de vista cinemático, así como de posibilidades en cuanto a velocidad y precisión en manipulación de objetos. En muchas ocasiones su accionamiento es directo, sin incluir reductores en sus articulaciones.

62

Configuración antropomórfica.

Figura 24 Morfología de robot antropomórfico.



Una configuración de este tipo posee tres articulaciones de posicionamiento y por general tres articulaciones de orientación, es decir para el efector final (Ver Figura 24). En este diseño los eslabones están conectados mediante ejes rotacionales, el primer eje es perpendicular al piso, los otros dos perpendiculares al primero y paralelos entre sí, estos tres últimos se utilizan para posicionar al robot en el espacio.

Se tienen generalmente cinco o seis GLD, tres por lo menos usados para definir la posición y mínimo dos para la orientación del efector final (pinza), posee un volumen de trabajo teórico 〖33L〗^3 (L=alcance) (Ver Figura 24).

63

Configuración cartesiana.

Figura 25 Morfología de robot cartesiana.



Esta configuración está compuesta por tres GLD que son ortogonales entre sí, que se encuentran situados a lo largo de los ejes X, Y, Z de un sistema de coordenadas cartesianas (Ver Figura 25). Las tres primeras articulaciones son de tipo prismático por lo cual las posiciones de las articulaciones son idénticas a las coordenadas del efector final. Se emplea en aplicaciones de carga, desplazamiento y descarga de materiales.

Esta configuración permite un espacio de trabajo teórico de L^3 (L=alcance), además de una geometría sencilla para el sistema de control (Ver Figura 25)

6.2.5.2 Evaluación cualitativa de conceptos.

A continuación, se realiza la evaluación cualitativa a los diferentes conceptos definidos para la sub-función Sujetar objeto y Trasladar objeto (Ver Cuadro 12 y Tabla 12).

64

Cuadro 12 Evaluación cualitativa de los conceptos para sujeción de objeto.

Dispositivo de sujeción VENTAJAS DESVENTAJAS

Gripper tipo mecanismo de cuatro barras

• Material de alta resistencia.

• Aplicación uniforme de fuerza de sujeción.

• Peso elevado.

• Área de sujeción pequeña.

Gripper tipo rotacional

• Gran apertura de las pinzas.

• Peso ligero.

• Área de sujeción pequeña.

• Fuerza de agarre limitada.

Gripper tipo traslacional

• Estructura en plástico ABS inyectado.

• Amplia superficie de sujeción.

• Material de superficie de sujeción con buen agarre.

• Peso ligero.

• Apertura de pinzas limitada.


65

Cuadro 13 Comparación de cualidades entre las diferentes configuraciones de robots.

CONCEPTOS VENTAJAS DESVENTAJAS

Configuración Cilíndrica

• Capacidad de carga independiente de la configuración.

• Aplicaciones: Carga y descarga, alimentación de máquinas.

• El movimiento es más lento frente a otras soluciones.

• Geometría compleja para el sistema de control.

Configuración SCARA

• La carga de la estructura esta soportada por los ejes de los motores.

• Las uniones entre los eslabones son de forma vertical lo cual elimina la carga que ejerce la gravedad.

• Espacio de trabajo limitado en el eje coordenado Z.

• Cantidad de aplicaciones limitada.

Configuración Antropomórfico

• Gran cantidad de aplicaciones. • La configuración permite tener más

GDL. • Mejor accesibilidad que otras

configuraciones. • Gran maniobrabilidad.

• Capacidad de carga dependiente de la aplicación.

• Geometría compleja para el sistema de control.

Configuración Cartesiana

• Implementación de control sencilla. • Gran capacidad de carga. • Menor costo de implementación

frente a otras morfologías.

• Espacio de trabajo limitado a 3 ejes cartesianos.

• Flexibilidad limitada. Fuente: Elaboración propia.

Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas, y características de hardware de los conceptos planteados en esta sección se procede a realizar una selección y evaluación más acertada de las soluciones en el ítem Selección de conceptos.

6.2.6 Selección de conceptos.

Una vez finalizada la etapa de diseño concurrente se procede a una selección de conceptos por medio de iteraciones con matrices de tamizaje en la que se evalúan cada una de las alternativas para la sub-función de trasladar objeto y sujeción de objeto hasta obtener una o varias combinaciones, por medio de los criterios definidos según las necesidades del usuario plasmadas en el QFD (Ver Cuadro 2 Necesidades interpretadas con sus respectivos pesos.) y criterios que surgen a

66

medida del proceso evaluativo, como parte de este proceso se debe definir un concepto referencia sobre el cual se asignara una calificación (mejor o peor) a cada alternativa basándose en las pautas definidas seguidamente (Ver Cuadro 14)

Cuadro 14 Matriz de tamizaje de conceptos iteración 1.

VARIANTE DE CONCEPTOS REFERENCIA

CRITERIO DE SELECCIÓN B C D A Capacidad de carga del Gripper. + + - 0 Apertura máxima del Gripper. - - + 0 Material de fabricación del Gripper. + + - 0 Tamaño de la superficie de sujeción del Gripper. + + 0 0 Capacidad de carga de la estructura. 0 + + 0 Reconfigurable. + + - 0 Tamaño del espacio de trabajo (ver Nota1). + + - 0 Facilidad de programación (ver Nota2). - 0 + 0 Alcance del efector final a lugares con obstáculos. + - - 0

Cantidad de grados de libertad. + 0 - 0 POSITIVOS 7 6 3 0

IGUAL 1 2 1 10 NEGATIVOS 2 2 6 0

TOTAL 5 4 -3 0 ORDEN 1 2 4 3

¿CONTINUAR?

CO

MB

INA

R

CO

MB

INA

R

NO

SI


Nota 1: Se establece la comparación mediante la longitud de los eslabones (L) y se aplica el cálculo (depende de la configuración del robot) para obtener el volumen de trabajo teórico.

Cuadro 15 Ecuaciones para el cálculo de volumen de trabajo teórico.

Configuración del robot. Ecuación para volumen de trabajo. Cilíndrico 9𝐿𝐿3 SCARA 12.5𝐿𝐿3

Antropomórfico 33𝐿𝐿3 Cartesiano 𝐿𝐿3


67

Nota 2: Se establece la comparación mediante el análisis cinemático de cada tipo de configuración, ya que la complejidad de la programación del robot depende de los parámetros establecidos anteriormente.


VARIABLES DE CONCEPTOS REFERENCIA

CRITERIO DE SELECCIÓN BC A B Capacidad de carga de la estructura. + + 0 Capacidad de carga del Gripper. + - 0 Apertura máxima del Gripper. 0 + 0 Material de fabricación del Gripper. 0 - 0 Tamaño de la superficie de sujeción del Gripper. 0 - 0 Alcance del efector final a lugares con obstáculos. - - 0

Cantidad de grados de libertad. - - 0 Reconfigurable + - 0 Tamaño del espacio de trabajo (ver Nota1). - - 0 Facilidad de programación (ver Nota2). + + 0

POSITIVOS 4 3 0 IGUAL 3 0 10

NEGATIVOS 3 7 0 TOTAL 1 -4 0 ORDEN 1 3 2

¿CONTINUAR?

SI

NO

SI


En esta iteración se realiza la combinación de la configuración SCARA con la configuración Antropomórfica (concepto BC) donde se toma la morfología Rotacional, Rotacional y Traslacional del SCARA y se adapta la última articulación para obtener una configuración hibrida Rotacional, Rotacional, Rotacional con un efector final tipo traslacional para brindar mayor capacidad de carga, maniobrabilidad para alcanzar lugares con obstáculos y al mismo tiempo facilite la programación frente al concepto B.

68


VARIABLES DE

CONCEPTOS REFERENCIA

CRITERIO DE SELECCIÓN B C BC Capacidad de carga de la estructura. - - 0 Reconfigurable. + - 0 Tamaño del espacio de trabajo (ver Nota1). + + 0 Facilidad de programación (ver Nota2). - + 0 Alcance del efector final a lugares con obstáculos. + + 0

Cantidad de grados de libertad. + + 0 POSITIVOS 4 4 0

IGUAL 0 0 6 NEGATIVOS 2 2 0

TOTAL 2 2 0 ORDEN 1 2 3

¿CONTINUAR?

SI

SI

SI


Ahora bien, con los resultados obtenidos a través de las iteraciones se han definido los conceptos a desarrollar durante el proyecto, siendo el Concepto B, C y un hibrido BC, ya que con sus características se logra una versatilidad en el diseño y se pueden compartir muchos componentes, sin embargo, hay aspectos que requerirán mayor esfuerzo de diseño a nivel de subsistema tales como el alcance del efector final a lugares con obstáculos, tamaño del espacio de trabajo y la facilidad de programación.

6.3 DISEÑO DE SISTEMAS

La fase de diseño a nivel sistema incluye la definición de la arquitectura del producto en donde se precisan aspectos de diseño como la naturaleza modular de la plataforma. Adicional a esto se descompone el producto en los subsistemas y componentes mecánicos, electrónicos y de control. También se establecen los planes iniciales para el sistema de producción con estándares de prototipado rápido. La salida de esta fase por lo general comprende un diseño geométrico del producto, una especificación funcional de cada uno de los subsistemas y un diagrama de flujo preliminar del proceso para el ensamble final en este caso enfocado a los estudiantes, que serán los encargados de construir producto final.

69

6.3.1 Establecimiento de la arquitectura del producto.

En esta etapa del proyecto se realizan diferentes diagramas con el fin de identificar el tipo de arquitectura y a su vez dar una idea de cómo se deben integrar las partes que cumplirán las funciones del artefacto.

Figura 26 Funciones y partes implicadas.


Como se muestra en la Figura 26Figura 26 Funciones y partes implicadas. la gran mayoría de las funciones están siendo realizadas por una sola parte en específico, lo cual determina que la arquitectura que presenta este proyecto es de tipo modular. Ahora bien, es necesario realizar un diagrama esquemático del producto donde se agrupan los elementos del esquema (clusters) para lograr la variedad de tipos de

70

productos deseada; a su vez se presentan las interacciones fundamentales detallando las comunicaciones entre los bloques.

Figura 27 Esquema del producto e interacciones fundamentales.


En la Figura 27 se presentan las interacciones fundamentales que determinaran el correcto funcionamiento del sistema. Las flechas azules hacen referencia a señales, las flechas rojas son energía eléctrica y las flechas negras indican movimiento. Ahora bien, se realizan las interacciones incidentales las cuales Se derivan de la implementación física de elementos funcionales o por la distribución geométrica de los conjuntos.

71

Figura 28 Diagrama de interacciones incidentales.


Como se muestra en la Figura 28 existen interacciones entre los elementos que componen el proyecto que infieren de forma negativa en el correcto funcionamiento del mismo. Por eso es de vital importancia identificarlos para disminuir el impacto que generan en el funcionamiento de todo el sistema; estas interacciones incidentales se disminuyen en el proceso de diseño detallado.

6.3.2 Casa de la calidad 2 (QFD) y análisis costo valor.

En instancias anteriores se realizó un análisis de las necesidades y las métricas de ingeniería con el fin de determinar cuáles eran los requerimientos más importantes al momento de diseñar la solución a nivel general; sin embargo, es necesario trasladar dichas necesidades de los clientes a otros campos más específicos como los son los sistemas, sub-sistemas componentes y demás para poder focalizar los esfuerzos de diseño a las áreas que más lo requieran.

A continuación, se realizará el análisis para de QFD 2 relacionando las necesidades del cliente con cada uno de los sub-sistemas en el Cuadro 18.

72

Cuadro 18 Relaciones entre necesidades del cliente y sub-sistemas.


Como se muestra en el Cuadro 18 los sub-sistemas que más impactan las necesidades del cliente son:

• Interfaz gráfica de programación 14%.

• Eslabón 2 antropomórfico 13%.

• Eslabón 1 antropomórfico 13%.

{Plataforma Robótica Educativa}Características de los subsistemas

Métricas de Ingeniería Peso

s Rel

ativ

os d

e la

fase

I

Base

Esla

bón

1 A

ntro

po

Esla

bón

2 A

ntro

po/E

slab

ón 1

Sca

ra

Esla

bón

3 A

ntro

po/E

slab

ón 2

Sca

ra

Esla

bón

4 A

ntro

po

Esla

bón

3 Sc

ara

Sist

ema

de a

mpl

ifica

ción

de

pote

ncia

ele

ctri

ca

Inte

rfaz

de

Usu

ario

Sist

ema

de su

jeci

ón

Sist

ema

de c

ontr

ol

Fuen

te e

lect

rica

Sist

ema

de fi

ltrad

o de

seña

l

Peso de estructura 5% 3 1 9 9 9 3 3 3 3Numero de configuraciones para armar 13% 9 3 9 9 1 1 9 9Alcance máximo 6% 3 3 9 9 3 3 3 3Numero de caídas a 1,5 metros 6% 3 3 3 3 3 3Numero de herramientas de ensamble 10% 3 3 3 3 3 3 1 1 1 1 1Numero de partes 11% 3 3 3 3 3 3Interfaz grafica de programación 9% 9 9Ítems de seguridad 2% 3 1 1 3 1 3 3Numero de grados de libertad 9% 3 3 3 3Peso máximo de carga 3% 1 9 3 3 1 1 1 3 1 1Máxima apertura gripper 3% 9Numero de maquinas para fabricar 7% 3 3 3 3 3 3Consumo eléctrico de motores 2% 3 3 3 3 3 3 9Hardware/software abierto a modificaciones 7% 1 1 1 1 3 3 9 3 9Nivel de atractivo 9% 3 1 1 1 3 3 9 3

0 0%0 0%

2,9

2,1

3,4

3,3

2,3

2,0

0,8

3,7

2,2

1,8

1,0

0,2

11%

8% 13%

13%

9% 8% 3% 14%

9% 7% 4% 1%Peso Relativo

FASE II QFD

Puntaje Bruto

73

• Base principal 11%.

Estos datos dan una idea de cuáles son los sub-sistemas críticos que comprometen el éxito del proyecto por lo tanto se les hará un análisis sistema vs sub-sistema relacionando las métricas del sistema en general con las métricas de los sub-sistemas. Seguidamente se realizará una relación entre las métricas del sub-sistema y las partes que componen dicho sub-sistema.

Cuadro 19 Mapeo de Sistema vs sub-sistema de la interfaz de usuario.


Nombre del Subsistema: Interfaz de Usuario

Métrica de ingeniería del Sistema Peso

s

Llam

ativ

a

Usa

ble

Cons

umo

de p

ocos

recu

rsos

Edita

r Nue

vos B

loqu

es

Softw

are

de C

ódig

o A

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Perm

ita U

tiliz

ar V

ario

s Ser

vos

Nec

esita

Firm

war

e Pr

e Ca

rgab

le

Com

patib

ilida

d co

n Si

stem

as E

mbe

bido

s

Peso de estructura 5%Numero de configuraciones para armar 13% 1 1 3 9Alcance máximo 6% 1Numero de caídas a 1,5 metros 6%Numero de herramientas de ensamble 10%Numero de partes 11%Interfaz grafica de programación 9% 9 9 9 9 9 9 9 9Ítems de seguridad 2% 3 3Numero de grados de libertad 9% 3 3 9 9 3Peso máximo de carga 3%Máxima apertura gripper 3%Numero de maquinas para fabricar 7%Consumo eléctrico de motores 2% 3 9Hardware/software abierto a modificaciones 7% 3 9 9 9 3 1 9Nivel de atractivo 9% 9 1 3

0%0%

Puntaje Bruto 1,91 1,96 1,45 2,64 1,4 3,24 0,86 1,68Puntaje Normalizado 13% 13% 10% 17% 9% 21% 6% 11%

Métricas de Ingeniería del Subsistema

74

Como se muestra en el Cuadro 19 los criterios más importantes al momento de usar la interfaz gráfica de programación es que permita utilizar varios servomotores y que permita crear nuevos bloques para facilitar la programación.

Cuadro 20 Mapeo métricas sub-sistema vs partes del sub-sistema interfaz de usuario.


Con el análisis anterior se pudo identificar que la parte más importante de la interfaz es el editor de bloques, que sea cómodo y fácil de usar.

75

Cuadro 21 Mapeo de Sistema vs sub-sistema de los eslabones.


En el Cuadro 21 se muestra que el criterio más importante es el torque del servomotor ya que determina si el robot puede trasladarse y a su vez manipular objetos.

Nombre del Subsistema:


s

Resi

sten

cia

del m

ater

ial

Espe

sor d

e la

lam

ina

del m

ater

ial

Long

itud

del e

slab

ón

Peso

tota

l del

esl

abón

Tam

año

del S

ervo

mot

or

Torq

ue d

el S

ervo

mot

or

Num

ero

de p

ieza

s

Peso de estructura 5% 1 3 9 9 3 1Numero de configuraciones para armar 13% 1 1 3 9 3Alcance máximo 6% 3 1 9 3 3Numero de caídas a 1,5 metros 6% 9 1 1 3Numero de herramientas de ensamble 10% 1 3Numero de partes 11% 1 1 3 3 9Interfaz grafica de programación 9%Ítems de seguridad 2%Numero de grados de libertad 9% 3 3Peso máximo de carga 3% 3 1 3 9 9Máxima apertura gripper 3%Numero de maquinas para fabricar 7% 1Consumo eléctrico de motores 2% 1 3 9 9Hardware/software abierto a modificaciones 7% 1 1 1Nivel de atractivo 9% 3 1 1

0%0%

Puntaje Bruto 0,88 0,42 1,75 1,68 0,6 2,45 2,24Puntaje Normalizado 9% 4% 17% 17% 6% 24% 22%

Métricas de Ingeniería del Subsistema Antropo/Eslabón 1 Scara - Eslabón 3 Antropo/Eslabón

76

Cuadro 22 Mapeo métricas sub-sistema vs partes del sub-sistema eslabón.


Como era de esperarse relacionado con el resultado anterior, la parte más importante es el servomotor que permite generar el movimiento del eslabón.

77

Cuadro 23 Mapeo de Sistema vs sub-sistema de la base.


Con el análisis hecho para la base, se tuvo como resultado que los criterios más importantes son los relacionados con la reconfiguración y es el número de pasos para poder modificar y la compatibilidad que pueda brindar dicha base al momento de acoplar otros eslabones.

Nombre del Subsistema: Base


s

Resi

sten

cia

del m

ater

ial

Espe

sor d

e la

lam

ina

del m

ater

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Are

a de

bas

e

Peso

tota

l

Com

patib

ilida

d co

n di

fere

ntes

con

figur

acio

nes

Torq

ue d

el S

ervo

mot

or

Num

ero

de p

ieza

s

Num

ero

de p

asos

par

a m

odifi

car

Rang

o de

mov

imie

nto

Peso de estructura 5% 1 3 3 9 1Numero de configuraciones para armar 13% 1 1 9 9Alcance máximo 6% 1 3 3 1 3Numero de caídas a 1,5 metros 6% 9 1 3Numero de herramientas de ensamble 10% 3 3 3Numero de partes 11% 1 3 1 9 9Interfaz grafica de programación 9% 3 3Ítems de seguridad 2% 3 1Numero de grados de libertad 9%Peso máximo de carga 3% 3 1 3 3Máxima apertura gripper 3%Numero de maquinas para fabricar 7%Consumo eléctrico de motores 2% 3 9Hardware/software abierto a modificaciones 7% 9 3 1 3Nivel de atractivo 9% 1 3 1 9

0%0%

Puntaje Bruto 0,7 0,33 1,21 1,23 2,39 0,54 1,52 2,66 1,08Puntaje Normalizado 6% 3% 10% 11% 21% 5% 13% 23% 9%

Métricas de Ingeniería del Subsistema

78

Cuadro 24 Mapeo métricas sub-sistema vs partes del sub-sistema base.


Con el mapeo realizado para las partes que componen la base, (Ver Cuadro 24) se obtuvo como parte más importante eran las placas que le dan la forma y rigidez a todo el sistema en general.

6.3.3 Análisis costo valor.

El análisis de QFD 2 y relación de sub-sistemas dan como resultado las partes más importantes que componen dichos sub-sistemas; sin embargo, todo proyecto tiene un presupuesto ajustado por lo cual es necesario saber si los recursos económicos presupuestados para cada componente, es el adecuado con respecto a su importancia en el proyecto. Para eso se realiza el análisis costo valor.

En la Cuadro 25 se muestra el presupuesto económico asociado a cada una de las partes que compone el proyecto.

79

Cuadro 25 Presupuesto.


A continuación, se muestra un gráfico de la ubicación de cada parte con respecto a la importancia y su presupuesto.

Figura 29 Análisis costo valor.


La Figura 29 muestra una región comprendida entre las curvas fucsia y azul. Esta región es un porcentaje del 15% que cumple con dicho presupuesto. Se puede

18%

26%

10%

2%1%2%

12%

0%

8%4%

10%6%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Rel

ativ

e C

ost

Relative Worth

QFD Cost - Worth Diagram(based on "Total Part Cost" as divisor)

80

observar un dato atípico, y este corresponde al presupuesto del primer eslabón de la configuración antropomórfica. Este eslabón requiere la utilización de dos servomotores dado el torque que se requiere para trasladar el resto del robot, lo cual no es ideal en términos de costo, pero fue la manera más práctica de proporcionar este torque dada la disponibilidad de actuadores que se encontró en el medio.

6.3.4 Diseño de sub-sistemas.

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en el QFD 2 se empiezan a realizar los diseños de cada una de las piezas que comprenden los sub-sistemas, y las partes que los componen.

A continuación, se presenta el diseño en CAD de la configuración antropomórfica diseñada.

Figura 30 Diseño final de la configuración antropomórfica.


A continuación, se presenta el diseño en CAD de la configuración SCARA.

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Figura 31 Diseño final de la configuración SCARA.


A continuación, se muestra una vista explosionada de cada uno de los sub-sistemas y las partes que lo componen.

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Figura 32 Vista de explosión base.


En la Figura 32 se muestra una vista por explosión de la base o primer sub-sistema, este cuenta con diferentes partes que le permiten tener estabilidad, rigidez, modularidad y demás características. A continuación, se hará un listado de los elementos que la componen.

• Chupas inferiores: Estas chupas se implementaron por la necesidad que se mantuviera firme la estructura y a su vez pegada a una superficie plana.

• Placas estructurales: Las placas verticales están diseñadas de tal manera que le de rigidez a la base permita soportar todo el peso del resto de la estructura. Teniendo un diseño en forma octagonal.

• Placa intermedia: Esta placa está diseñada con el fin de alojar el servomotor y cuenta con una ranura que permite el libre desplazamiento de los cables de cada servomotor.

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• Placa superior: Cuenta con un alojamiento para un rodamiento y un led indicador.

• Rodamiento: Permite un movimiento fluido sin fricción.

• Servomotor: Genera un movimiento rotacional y una retroalimentación de la posición.

Figura 33 Vista de explosión eslabón 1 antropomórfico.


En la Figura 33 se muestra la vista explosionada del eslabón 1 de la configuración antropomórfica, este eslabón requiere la implementación de dos motores debido al torque que se requiere para poder mover el resto de la estructura.

• Placas estructurales: Estas placas cuentan con unos vaciados para aligerar el peso pero que permitan tener una alta rigidez. Los servomotores se ubicaron en el exterior para permitir la modularidad de los eslabones siguientes.

• Buje: Diseñado para ser usado en cualquiera de los eslabones y permite un ajuste con los rodamientos.

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• Servomotores: Estos motores deben de moverse conjuntos para un correcto funcionamiento.

Figura 34 Vista de explosión eslabón 1 SCARA.


En la Figura 34 se presenta la vista explosionada del eslabón 1 de la configuración SCARA, este eslabón fue diseñado con el fin que no se tuviera que modificar al momento de cambiar de configuración, por lo cual es compatible para las tres configuraciones que se pueden ensamblar.

• Placas estructurales: Estas placas fueron diseñadas con estos vaciados para disminuir el peso y su espesor es de 3 milímetros.

• Servomotor: Este servo cuenta con un torque algo menor a los que se utilizan en la base y en el eslabón 1 del antropomórfico.

• Rodamiento: Para disminuir la fricción.

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Figura 35 Vista de explosión eslabón 2 SCARA.


Como se muestra en la Figura 35 el eslabón 2 del SCARA cuenta con un diseño similar en proporciones de tamaño al eslabón 1, sin embargo, este no lleva alojado ningún motor para hacer más ligera la estructura y hacerlo más compatible al momento de cambiar de configuración.

• Placas estructurales de 3 mm.

• Buje.

• Acoples de servomotores.

• Rodamiento.

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Figura 36 Vista de explosión eslabón 4 antropomórfico y gripper.


En la Figura 38 se muestran las partes que componen el eslabón 4 de la configuración antropomórfica. Este eslabón cuenta con un diseño de tres placas y lo que se buscaba es que fuera lo más pequeño y ligero posible.

• Placas estructurales con alojamiento para micro servos.

• Buje.

• Micro servos de piñoneria metálica: Para proporcionar un alto torque con unas dimensiones y peso reducido.

• Gripper traslacional: Cuenta con un servo integrado para realizar el agarre.

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Figura 37 Vista de explosión tercer eslabón SCARA y gripper.


El diseño mostrado en la Figura 37 presento un desafío debido a que era necesario crear una articulación traslacional y se necesitaba una estructura que pudiera ser lo suficiente ligera pero que pudiera resistir su propio peso y el de la carga. Por lo tanto, se implementaron placas de diferentes espesores y diseños de vaciados.

• Placas guía: Estas placas permiten soportar la cremallera y le dan una guía para mantenerlas posicionadas.

• Placa de soporte del motor: Esta placa permite el montaje sencillo del motor que hará la acción de accionar el mecanismo piñón – cremallera.

• Mecanismo: El mecanismo utilizado fue el de piñón – cremallera, por su sencillez y prestaciones para realizar un movimiento traslacional con un espesor de 6mm para dar mejor tracción.

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• Servomotores: Los servos utilizados son de pequeñas dimensiones y peso.

• Gripper: Se utilizo el mismo gripper de la configuración antropomórfica para conservar la modularidad del diseño en general.

Con el fin de mantener la modularidad, se realizó el diseño de una tarjeta electrónica tipo shield, la cual va acoplada en los pines del Arduino y permite hacer un filtrado y aislado de las señales de control y de potencia; también se implementó debido a la necesidad de conectar los motores de forma sencilla permitiendo solo acoplar los cables directamente con el mismo estándar de conexión de todos los servos comerciales. A continuación, se muestra el diseño de la placa electrónica.

Figura 38 Diseño del shield en software eagle 4.


Teniendo en cuenta que el sub-sistema con mayor importancia fue la interfaz gráfica de programación con un 14%, como se evidencia en la Cuadro 18 Relaciones entre necesidades del cliente y sub-sistemas.. Se realizó un análisis más detallado de las métricas implicadas en la Tabla 18 para realizar una correcta escogencia de dicha interfaz de tal manera que satisfaga las necesidades del cliente y permita un correcto funcionamiento del sistema.

Los ítems se presentan a continuación con su respectiva importancia:

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o Permita utilizar varios servomotores 21%

o Editar nuevos bloques 17%

o Usable 13 %

o Llamativa 13%

o Compatibilidad con sistemas embebidos 11%

o Consumo de pocos recursos 10%

o Software de código abierto 9%

o Necesita firmware pre cargable 6%

Con esta información se realizaron pruebas con diferentes interfaces de programación tipo scratch, mostradas a continuación.

S4A (Scrath for arduino).

Figura 39 Captura de pantalla de la interfaz de S4A.


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Esta interfaz a pesar de ser la base o estándar, se presentaron problemas de velocidad de transferencia y así mismo un comportamiento errado de los servomotores al momento de programarlos con ciclos para disminuir la velocidad de operación de los mismos.

Modkit.

Figura 40 Captura de pantalla de la interfaz de modkit.


La interfaz modkit desarrollada para VEX, presento un comportamiento mejor con los tiempos de ejecución y movimiento de los servos, sin embargo, esta cuenta con un complejo proceso de instalación del firmware en Arduino y cierta complejidad a la hora de utilizar el ambiente.

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Mblock.

Figura 41 Captura de pantalla de la interfaz de Mblock.

Fuente: Elaboracion propia.

Cuenta con una interfaz muy cómoda y optimizada para Arduino, sin embargo, se presentó el problema que solo admite la utilización de 4 servomotores al tiempo siendo esto un problema debido a que se necesitan usar 6 servos al tiempo.

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Snap for arduino (SELECCIONADA).

Figura 42 Captura de pantalla de la interfaz de snap for arduino.


La interfaz seleccionada fue snap for Arduino debido a que cuenta con una optimización para ser usada con Arduino y no presenta tiempos de retraso en la señal, cuenta con la posibilidad de utilizar servos cuanto lo permita el hardware. Permite la creación y modificación de bloques. Adicional a lo anterior permite una visualización en tiempo real de las variables usadas y a su vez tiene una usabilidad que permite una mayor inmersión en la programación más avanzada.

En la sección diseño a nivel de detalle, se presentará los bloques o métodos que se pueden crear con esta interfaz para permitir un uso más sencillo con personas que no tengan un conocimiento previo en programación.

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6.4 DISEÑO A NIVEL DE DETALLE

Para el desarrollo de esta plataforma robótica se establecieron todos los componentes de los subsistemas mediante métodos de diseño concurrente, validaciones, simulaciones y pruebas de laboratorio, a continuación, se muestra a nivel de detalle todas las características técnicas de cada elemento, como también las geometrías y planos definidos de los diseños estructurales de las placas que componen los tres tipos de configuraciones.

Microcontrolador. En este apartado se usó el microcontrolador Arduino MEGA (Ver Figura 43), debido a que cuenta con las capacidades de entradas y salidas analógicas, capacidad de procesamiento y compatibilidad con diferentes sistemas open source, además cuenta con un soporte muy amplio de parte de una comunidad donde se encuentran situaciones similares a las presentadas durante el desarrollo del proyecto, son criterios necesarios para el desarrollo de la plataforma robótica, a continuación, se muestran las especificaciones técnicas del dispositivo (Ver Cuadro 26).

Cuadro 26 Especificaciones técnicas del microcontrolador Arduino MEGA.

Microcontroller ATmega2560 Operating Voltage 5V Input Voltage (recommended) 7-12V Input Voltage (limit) 6-20V

Digital I/O Pins 54 (of which 15 provide PWM output)

Analog Input Pins 16 DC Current per I/O Pin 20 mA DC Current for 3.3V Pin 50 mA

Flash Memory 256 KB of which 8 KB used by bootloader

SRAM 8 KB EEPROM 4 KB Clock Speed 16 MHz LED_BUILTIN 13 Length 101.52 mm Width 53.3 mm Weight 37 g

Fuente: Tech specs [en linea]. Arduino. [Consultado: 4 de noviembre de 2017]. Disponible en internet: https://store.arduino.cc/usa/arduino-mega-2560-rev3

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Figura 43 Microcontrolador Arduino mega.

Fuente: Tech specs [en linea]. Arduino. [Consultado: 4 de noviembre de 2017]. Disponible en internet: https://store.arduino.cc/usa/arduino-mega-2560-rev3

Fuente de alimentacion. Para este componente se utilizó una fuente de poder Meanwell LSR50-5 (Ver Figura T1), esta fuente conmutada ofrece un rendimiento en DC estable frente a otras soluciones, debido a los altos picos de corriente que demandan los servomotores es una solución eficaz al entregar 10A @ 5V, este dispositivo tiene la capacidad aislamiento a tierra lo que brinda una mejor seguridad frente cambios de tensión y sobrecargas, como también protección frente a cortos circuitos. Ofrece una eficiencia energética mayor frente a soluciones basadas en transformadores de baja frecuencia, ya que disipa poco calor y también ofrece una señal DC “pura” al ser controlada por medio de PWM, a continuación, se muestra las características técnicas del dispositivo (Ver Tabla T2).

Figura 44 Fuente de poder Meanwell LSR50-5.

Fuente: 50W Single output switching power supply [en linea]. Mean well. [Consultado: 6 de noviembre de 2017]. Disponible en internet: http://www.meanwell.com/productPdf.aspx?i=399

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Cuadro 27 Características técnicas de la fuente de poder.

Voltaje de salida 5VDC Potencia de salida 50W

Voltaje de entrada 85 VAC to 264 VAC, 120 VDC to 373 VDC

Corriente de salida 10A

Dimensiones L:99mm - W:82mm - H:30mm

Rizado & Ruido MAX 80mVp-p

Rango de voltaje ajustable 4.5V - 5.5V

Tolerancia de Voltaje ±2% Eficiencia 83%

Fuente: 50W Single output switching power supply [en linea]. Mean well. [Consultado: 6 de noviembre de 2017]. Disponible en internet: http://www.meanwell.com/productPdf.aspx?i=399

Elevador de voltaje. Debido a que se cuentan con actuadores (servomotores) de diferentes características, hay un conjunto de ellos que requiere un voltaje de alimentación superior a los 5V que entrega la fuente principal, por lo tanto, se recurrió a una solución tipo elevador de tensión (step up) Drok LTC1871 (Ver Figura 45) este dispositivo se encarga de aumentar la tensión de salida sin depender del voltaje de entrada y es totalmente regulable, entonces resulta siendo un dispositivo eficaz para alimentar los servomotores de la base principal, que consumen una tensión de 7.4VDC para entregar su máxima potencia, a continuación, se muestra las características técnicas del dispositivo (Ver Tabla R2).

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Figura 45 Elevador de voltaje DROK LTC 1871.

Fuente: DROK LTC1871 3.5V-30V DC Boost [imagen]. Amazon. [consultado: 6 de noviembre de 20017]. Disponible en internet: https://www.amazon.com/DROK-Converter-Transformer-Motorcycle-Automotive/dp/B00DWX8PM2

Cuadro 28 Características técnicas del elevador de voltaje.

Input voltage: DC 3.5V-30V(please leave margin in usage, or meter will burn)

Output voltage: DC 3.5V-30V(boost module; ensure input voltage < or = output voltage)

Continuous current: 6A(long-term work) Max input current: 10A (peak) Output power: 100W Max(U-in * I-in * Efficiency = U-out * I-out) Voltmeter accuracy: +/- (0.5% +1 digit) Static power consumption: typically around 15ma Dimensions: 67x42x18 mm (L*W*H) LED indicator: have Anti-reverse protection: have

Fuente: DROK LTC1871 3.5V-30V DC Boost. Amazon. [consultado: 6 de noviembre de 20017]. Disponible en internet: https://www.amazon.com/DROK-Converter-Transformer-Motorcycle-Automotive/dp/B00DWX8PM2

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Actuadores. Estos dispositivos son encargados del movimiento de los eslabones, cada subsistema de traslación posee un peso diferente, por lo cual cada uno de estos tiene diferentes características, a continuación, se muestra los actuadores seleccionados.

Servomotor base principal. Para este parte de la plataforma robótica se usó un servomotor GOTECK HC2627SG (Ver Figura S1), posee un sistema de engranes metálicos y carcasa en aluminio que ofrece las prestaciones necesarias para el funcionamiento de la plataforma, la base principal soporta el peso de toda la estructura pero la componente de la gravedad no la soporta el servomotor si no las placas estructurales, se hicieron pruebas con servomotores que ofrecían 40kg.cm de torque pero presentaban problemas de ruido eléctrico debido al bobinado interno, por lo tanto se recurrió a esta alternativa sin núcleo, que ofrece un mejor rendimiento con respecto al ruido eléctrico como también un movimiento más fluido al tener un controlador de mejores prestaciones, a continuación, se muestran las características técnicas del dispositivo (Ver Tabla S2).

Figura 46 Servomotor GOTEK HC2627SG.

Fuente: HC2627SG [imagen]. Gotekrc. [Consultado: 2 de diciembre de 2017]. Disponible en internet: http://www.goteckrc.com/ProductShow.asp?ID=61#

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Cuadro 29 Características técnicas de servo HC2627SG.

Rango de Voltaje de operación. 6.0V ~ 7.4V

Rango de Temperatura de operación. -20C°~ +60C°

Voltaje de prueba: @ 6.0V @ 7.4V Torque 26kg.cm 29kg.cm

Velocidad 0.16sec / 60 grados 0.145sec / 60 grados

Corriente sin carga 350mA 400mA Corriente a carga máxima 3300mA 4000mA Ancho de Banda Muerta 1 µ segundos Ciclos de vida útil >15000 times Tipo del controlador Controlador FET Tipo de motor Sin núcleo Tipo de amplificador Digital Dimensiones 40*20*37.2mm Peso: 77g （sin accesorios） Case Material AL6061

Fuente: HC2627SG [en linea]. Gotekrc. [Consultado: 2 de diciembre de 2017]. Disponible en internet: http://www.goteckrc.com/ProductShow.asp?ID=61#

Servomotor eslabon 1 antropomorfico. Para este eslabón se usaron dos servomotores GOTECK HC2627SG (Ver Figura 46 y Cuadro 29), con un sistema de engranes metálicos y 29 Kg.cm de torque, son características suficientes para mover toda la estructura del robot ya que ejercen un total de 58 Kg.cm, según estos cálculos se requiere el siguiente torque.

Mediante la herramienta “propiedades físicas” que proporciona SolidWorks, se determinó el peso estimado de los dos eslabones, considerando su centro de masa en la parte central de cada estructura. Suponiendo que el dispositivo se encuentra completamente horizontal con respecto a la tierra se estiman también las fuerzas ejercidas para cada eslabón dependiendo de su peso, a continuación, se muestran los pesos de los eslabones (Ver Cuadro 30).

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Cuadro 30 Pesos de los eslabones de la configuración antropomórfica.

Eslabón No.1 Eslabón No.2 Eslabón No.3 Eslabón No.4

Masa 0.248 kg 0.126 kg 0.077 kg 0.128 kg Peso 2.43 N 1.23 N 0.75 N 1.25 N


A continuación, se muestra la distancia del punto de aplicación de la fuerza de los servomotores (Ver Figura 47).

Figura 47 Distancia de aplicación de fuerza de los servos.


Se realiza el siguiente calculo:

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑡𝑡𝑃𝑃𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡: 0.248𝑁𝑁+ 0.126𝑁𝑁+ 0.077𝑁𝑁+ 0.128𝑁𝑁 = 0.579𝑁𝑁

𝜏𝜏 𝑡𝑡𝑃𝑃𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 0.579𝑁𝑁 × 0.328𝑚𝑚 = 0.189𝑁𝑁.𝑚𝑚

Para un torque total de 0.189N.m y los servomotores tienen una capacidad de 0.58N.m (58N.cm), se puede concluir que los motores seleccionados cumplen con los requerimientos de la estructura.

Servomotor del eslabón 2 antropomórfico/SCARA. Para la selección de este actuador se definió el servomotor TowerPro MG946R (Ver Figura 48), cuenta con un sistema de engranes metálicos y 13Kg.cm de torque, características suficientes

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para realizar el movimiento de los eslabones No. 3 y 4 de las configuraciones, cabe resaltar que para la morfología SCARA el peso de la estructura es soportado por las placas del eslabón por lo tanto el torque requerido es mucho menor con respecto a la configuración Antropomórfica, a continuación, se muestran las características técnicas del dispositivo (Ver Tabla D2).

Figura 48 Servomotor TowerPro MG996R.

Fuente: MG946R metal gear digital high torque servo 55g [imagen]. Banggood. [Consultado 3 de diciembre de 2017]. Disponible en internet: https://www.banggood.com/es/TowerPro-MG946R-Metal-Gear-Digital-High-Torque-Servo-55g-p-982469.html?cur_warehouse=CN

Figura 49 Características técnicas servomotor MG946R.

Peso: 55g Dimensiones: 40.7×19.7×42.9mm Torque: 10.5kg/cm (4.8v); 13kg/cm (6v) Velocidad de operación: 0.20sec/60degree(4.8v);0.17sec/60degree(6.0v) Voltaje: 4.8-6.6v

Fuente: MG946R metal gear digital high torque servo 55g [en línea]. Banggood. [Consultado 3 de diciembre de 2017]. Disponible en internet: https://www.banggood.com/es/TowerPro-MG946R-Metal-Gear-Digital-High-Torque-Servo-55g-p-982469.html?cur_warehouse=CN

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Figura 50 Distancia de aplicación del torque del servomotor MG946R.


Se realiza el siguiente calculo, solo soporta los eslabones No. 3 y 4:

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑡𝑡𝑃𝑃𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡: 0.077𝑁𝑁+ 0.128𝑁𝑁 = 0.205𝑁𝑁

𝜏𝜏 𝑡𝑡𝑃𝑃𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 0.205𝑁𝑁 × 0.212𝑚𝑚 = 0.043𝑁𝑁.𝑚𝑚

Para un torque total de 0.043N.m y el servomotor tiene una capacidad de 0.13N.m (13Kg.cm), se puede concluir que los motores seleccionados cumplen con los requerimientos de la estructura.

Servomotores de los eslabones 3 y 4 antropomórfico/SCARA. Para la selección de estos servomotores se definieron las referencias Hitec HS82MG y Hitec HS311 (Ver Figura 51), estos dispositivos cuentan con un sistema de engranes metálicos (exceptuando el HS311) y tienen las prestaciones necesarias para el movimiento fluido de la estructura de la plataforma robótica y el Gripper de sujeción, a continuación, se muestran las características técnicas de los dispositivos (Ver Cuadro 31 y Cuadro 32).

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Figura 51 Servomotores Hitec HS82MG y HS311.

Fuente: Hitec HS-82MG standard metal gear micro servo [imagen]. Dg electronics. [Consultado: 3 de diciembre de 2017]. Disponible en internet: http://dgelectronics.com.mx/producto/hitec-hs-82mg-standard-metal-gear-micro-servo/

Fuente: Hitec HS-311 – standar economy servo [imagen]. Servo database. [Consultado 3 de diciembre de 2017]. Disponible en internet: https://servodatabase.com/servo/hitec/hs-311

Cuadro 31 Características técnicas servomotor HS-82MG.

Tipo de Motor 3 Pole Tipo de soporte Ninguno Velocidad (4.8V/6.0V): 0.12 / 0.10 sec @ 60 deg. Torque oz./in. (4.8V/6.0V): 39 / 47 Torque kg./cm. (4.8V/6.0V): 2.8 / 3.4 Medida en pulgadas: 1.17 x 0.47 x 1.16 Medida en milímetros: 29.72 x 11.94 x 29.46 Peso en onzas: 0.66 Peso en gramos: 18.71

Fuente: Hitec HS-82MG standard metal gear micro servo [en linea]. Dg electronics. [Consultado: 3 de diciembre de 2017]. Disponible en internet: http://dgelectronics.com.mx/producto/hitec-hs-82mg-standard-metal-gear-micro-servo/

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Cuadro 32 Características técnicas servomotor HS-311.

Modulation: Analog Torque: 4.8V: 42.00 oz-in (3.02 kg-cm) 6.0V: 49.00 oz-in (3.53 kg-cm) Speed: 4.8V: 0.19 sec/60° 6.0V: 0.15 sec/60° Weight: 1.51 oz (42.8 g)

Dimensions: Length:1.57 in (39.9 mm) Width:0.78 in (19.8 mm) Height:1.43 in (36.3 mm)

Motor Type: 3-pole Gear Type: Plastic Rotation/Support: Bushing Rotational Range: 180° Pulse Cycle: 20 ms Pulse Width: 900-2100 µs Connector Type: Universal

Fuente: Hitec HS-311 – standar economy servo [en linea]. Servo database. [Consultado 3 de diciembre de 2017]. Disponible en internet: https://servodatabase.com/servo/hitec/hs-311

Dispositivo de aislamiento. Para este subsistema se definió el dispositivo 4N25 (Ver Figura 52), fototransistor con el que se realizó el aislamiento eléctrico, ya que cuenta con las características requeridas por el circuito de acondicionamiento de señal, tales como la velocidad del respuesta (2µs) y posee un encapsulado pequeño que resulta eficiente al momento de realizar el montaje en el Shield para el aislamiento de las señales eléctricas de la plataforma robótica, a continuación, se muestran las características técnicas del dispositivo (Ver Cuadro 33).

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Figura 52 Dispositivo fototransistor 4N25 para aislamiento eléctrico.

Fuente: Optoacoplador 4n25. [imagen]. Mercado libre. [Consultado: 3 de octubre de 2017]. Disponible en internet: https://articulo.mercadolibre.com.ar/MLA-678011817-optoacoplador-4n25-_JM

Cuadro 33 Características técnicas del dispositivo 4N45.

Número de canales: 1 Tensión de aislamiento: 5 kV Tipo Optoacoplador salida: Phototransistor Entrada de corriente: 50 mA Voltaje de salida: 30 V Encapsulado: DIP No. de Pines: 6 Tipo de montaje: Through Hole RoHS Compliant: Yes Velocidad de conmutación: 2µseg

Fuente: Optoacoplador 4n25. [en línea]. Mercado libre. [Consultado: 3 de octubre de 2017]. Disponible en internet: https://articulo.mercadolibre.com.ar/MLA-678011817-optoacoplador-4n25-_JM

Interfaz gráfica de programación. Como se mencionó anteriormente en la sección diseño a nivel de sistema, la interfaz gráfica de programación seleccionada snap for Arduino permite al usuario la creación y edición de bloques, que permiten facilitar la programación y permitir un entorno más visual y óptimo para los estudiantes. A continuación, se muestra un bloque que se creó para el desplazamiento de una articulación y como facilita el proceso de programación.

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Figura 53 Creación de bloques.


Como se muestra en la Figura 53 la interfaz cuenta con unas pestañas donde se agrupan diferentes funciones, una de estas es la llamada otro donde está la opción de crear un bloque. Esta función despliega una ventana donde se puede editar dicho bloque como si fuera un método, con parámetros tanto de entrada como salida; y esto es muy valioso a la hora de facilitar la programación. En la Figura 54 se muestra el contenido del bloque que permite la rotación de uno de los servomotores de manera gradual y con los respectivos parámetros de entrada como lo es el Angulo.

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Figura 54 Edición de bloques.


Para optimizar la programación, el bloque creado es utilizado de forma estándar para permitir una programación más sencilla al momento de usar los 6 servos. En la Figura 55 se muestra la programación de desplazamiento de cada una de las articulaciones a dos posiciones incluyendo el gripper. Cabe mencionar que como se ha mostrado, la configuración antropomórfica cuenta con dos servos en una sola articulación, estos servos deben de moverse al tiempo, pero en sentidos contrarios, debido a su instalación, por lo cual existe un bloque llamado mover articulación 1B que permite mover ambos servos al tiempo.

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Figura 55 Código completo para desplazar 4 articulaciones en la configuración antropomórfico.


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7. DESCRIPCION FINAL DEL PRODUCTO

Finalizado el proceso de diseño, se presenta una breve descripción del producto terminado y sus funcionalidades.

La PLATAFORMA ROBOTICA EDUCATIVA DE MANIPULADORES PARA LA EDUCACION es un producto pensado para jóvenes con edades entre los 15 y 20 años interesados en tener un acercamiento al mundo de la ingeniería mecatrónica teniendo una experiencia didáctica con la utilización de tecnologías de prototipado rápido, plataformas de hardware y programación open-source que le permiten desarrollar su conocimiento de forma autónoma.

Este proyecto cuenta con una serie de partes diseñadas especialmente para facilitar el ensamble disminuyendo al máximo la utilización de herramientas complejas sin comprometer la modularidad del sistema. Permitiéndole al usuario utilizar las mismas partes para construir tres diferentes morfologías de manipuladores con la menor cantidad de pasos posibles al reconfigurarse. También cuenta con un sistema electrónico que permite ser conectado de manera sencilla y sin presentar riesgos al usuario final.

Adicionalmente se ha utilizado una interfaz gráfica de programación que le permite a los estudiantes desarrollar competencias en lógica y algoritmia necesarias para la correcta operación de los sistemas electrónicos como lo son servomotores y demás periféricos adicionales que se le quieran agregar. Esta interfaz permite crear y modificar bloques funcionales y utilizar las herramientas básicas de programación sin preocuparse por sintaxis y demás formalismos de lenguajes de programación escritos.

La utilización de esta plataforma que conjugan las metodologías constructivistas le permiten a los estudiantes generar cierto interés en temas relacionados con ingeniería y más específicamente la robótica, con lo que se pretende encasillar a los jóvenes en estas áreas del conocimiento.

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8. PROTOTIPADO Y RESULTADOS OBTENIDOS

Durante el desarrollo de este proyecto se realizaron pruebas y evaluaciones de funcionamiento a los elementos que componen los subsistemas de la plataforma robótica, estas pruebas iban acordes a criterios de diseño que varían en función del tipo del subsistema a tratar (mecánico, electrónico, de resistencia de materiales, etc.), esto dio como resultado diferentes modificaciones (mejoras) que se fueron integrando al prototipo final. Finalmente se obtiene un prototipo funcional alfa, este cumple todas las funciones del producto, sin embargo, los materiales de fabricación pueden variar con respecto al producto final.

8.1 DEFINICION DEL PROPOSITO

En el presente proyecto se cuenta con la integración de diferentes componentes que cumplen las sub-funciones definidas en la descomposición funcional; por lo tanto, se debe evaluar distintas alternativas lo cual conlleva a la realización de prototipos que cumplan los siguientes propósitos:

• Prototipos de aprendizaje: Cuando se quiere saber si funcionará y cumplirá con los requerimientos del usuario y en qué medida lo hará.

• Prototipos de integración: Combinación de los subsistemas en un único modelo (sistema) para comprobar que el producto en conjunto funciona de forma adecuada.

• Prototipo de comunicación: Cuando se quiere demostrar el producto para obtener una realimentación de la gerencia, inversionistas, cliente, etc.

Durante el proceso se realizaron realimentaciones constantes entre cada fase del proyecto donde los prototipos eran evaluados reiterativamente con el fin de refinar detalles de diseño.

Durante el desarrollo de este proyecto se efectuaron diferentes prototipos con el fin de efectuar una validación de las características del producto obtenido con respecto a las especificaciones preliminares; estas variables se definen a través de las métricas planteadas en la sección 6.2.2 (Ver Cuadro 3 Métricas de ingeniería.). A continuación, se muestran los prototipos ejecutados para obtener la solución final y

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se muestra el grado de aproximación de estos con el fin de definir la naturaleza del prototipo (Ver Cuadro 34).

Cuadro 34 Prototipos propuestos con nivel de aproximación.

Prototipo Propósito Función Grado de aproximación

0.1 Aprendizaje Trasladar Objeto Analítico - Parcial 0.2 Aprendizaje Convertir Energía Eléctrica En Movimiento Físico - Parcial 0.3 Integración Multifunción (Versión 0) Físico - Completo 0.4 Integración Multifunción (Versión 1) Físico - Completo 0.5 Integración Multifunción (Versión 2) Físico - Completo 0.6 Aprendizaje Acondicionar Señal De Control Físico - Parcial 0.7 Integración Multifunción (Versión 3) Físico - Completo 0.8 Aprendizaje Trasladar Objeto Analítico - Parcial 0.9 Integración Multifunción (Versión 4) Físico - Completo Alfa Milestones Multifunción (Prototipo Final) Físico - Completo Beta Milestones Multifunción (Versión Final) Físico - Completo


8.1.1 Prototipo 0.1.

Este prototipo comprende el diseño en software CAD con el fin de verificar las dimensiones, la proporción de los eslabones, el rango de movimiento, la ruta de ensamblaje y la totalidad de partes que componen la estructura mecánica del primer planteamiento conceptual de diseño estructural.

Según los antecedentes (Ver DESARROLLOS LOCALES) se obtuvo el diseño CAD de robot didáctico MeArm (Ver Figura 3) y con base en ese diseño se realizaron modificaciones en las dimensiones de la estructura para asemejarlo a la escala deseada y a la morfología tipo antropomórfica (Ver Figura 56).

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Figura 56 Diseño conceptual basado en robot MeArm.



Este prototipo comprende la medición del rendimiento de los actuadores definidos (servomotores) a través de pruebas de torque y de consumo eléctrico bajo condiciones normales de trabajo y de carga máxima, por lo tanto, se define un protocolo de pruebas de laboratorio para la medición de las variables del dispositivo con los equipos correspondientes.

En las instalaciones del laboratorio se realizaron pruebas de consumo de corriente Vs torque (masa suspendida), a través de la interfaz PASCO 850 Universal Interface y el PASCO High Current Sensor CI-6740 (Figura 58) se realizó el siguiente procedimiento (Ver Figura 57).

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Figura 57 Montaje para pruebas de motores.


Figura 58 Sensor de corriente utilizado.


Inicialmente, se sometió motor de referencia Turnigy 1270HV a diferentes cargas como se muestra en el Cuadro 35 y Tabla 27 con diferentes métodos de control, a pasos se define una rutina en el microcontrolador donde el ángulo que se le aplica al servomotor aumenta o disminuye (según el caso) de uno en uno (±1°) e inmediato se define como una rutina donde el ángulo que se le aplica al servomotor es en valores fijos (0°, 80°, 180°).

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Cuadro 35 Comportamiento obtenido con el servomotor turnigy 1270HV método pasos con diferentes cargas.

MÉTODO MASA (gramos) ENSAYO COMPORTAMIENTO Pasos 2740 serie 1 Normal Pasos 3240 serie 2 Normal Pasos 3740 serie 3 Normal Pasos 4240 serie 4 Normal Pasos 4740 serie 5 Normal Pasos 5240 serie 6 Normal Pasos 5740 serie 7 Se queda pegado con un pico de corriente

de 7 amperios cte. Pasos 6240 serie 8 Se queda pegado con un pico de corriente

de 7 amperios cte. Pasos 6740 serie 9 Se queda pegado con un pico de corriente

de 7 amperios cte. Pasos 7240 N/A N/A Pasos 7740 N/A N/A Pasos 8240 N/A N/A


Cuadro 36 Comportamiento obtenido con servomotor turnigy 1270HV método inmediato con diferentes cargas.

MÉTODO MASA (gramos) ENSAYO COMPORTAMIENTO

Inmediato 2740 serie 1 Normal Inmediato 3240 serie 2 Normal Inmediato 3740 serie 3 Normal Inmediato 4240 serie 4 Normal Inmediato 4740 serie 5 Normal Inmediato 5240 serie 6 Normal Inmediato 5740 serie 7 Normal Inmediato 6240 serie 8 Normal Inmediato 6740 serie 9 Normal Inmediato 7240 serie 10 Normal Inmediato 7740 serie 11 Normal Inmediato 8240 serie 12 Normal Inmediato 8740 serie 13 Normal

Inmediato 9240 serie 14 Se queda pegado con un pico de corriente de 7 amperios cte.


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Nota: normal se refiere a que el servomotor realizó el movimiento al ángulo deseado sin inconvenientes.

A continuación, se muestra los resultados obtenidos en medición de corriente para las series No. 1 y No. 9 como las más representativas del comportamiento del motor (Ver Figura 59) y las series No.8 y No.14 como el punto donde el motor deja de responder adecuadamente debido al método que se usó (Ver Figura 60).

Figura 59 Comportamiento servomotor turnigy 1270HV corriente vs tiempo.


Como se puede apreciar en la Figura 60, la línea describe dos etapas de comportamiento, cuando se usa el método paso a paso la corriente presenta picos de corriente prolongados y oscilantes en el tiempo y un consumo de corriente mayor frente el método inmediato, el cual describe una pendiente constante y con menor consumo de corriente. Esto dio como resultado que el método inmediato tiene un mejor desempeño debido a que el esfuerzo de control ejercido por el driver del servomotor es mayor al momento de definir la referencia (ángulo), es decir, cuando el servomotor está en un ángulo 0° y pasa a 180° es mayor la diferencia con respecto a los ángulos 0° a 1°.

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Figura 60 Comportamiento servomotor turnigy 1270HV corriente vs tiempo.


En la Figura 60 se puede apreciar el punto donde el motor deja de responder adecuadamente debido a que el método de control corresponde a pasos, a partir de la serie No. 8 el funcionamiento se normaliza con el método inmediato.

Posteriormente se realizaron las mismas pruebas con un servomotor TowerPro MG946R y se obtuvieron los siguientes resultados (Ver

Cuadro 37 y Cuadro 38), el comportamiento en corriente fue muy similar al del servomotor 1270HV, pero el 946R tiene menores prestaciones en cuanto a torque por lo cual las masas utilizadas fueron inferiores.

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Cuadro 37 Comportamiento servomotor towerpro MG946R método a pasos.

MÉTODO MASA (GRAMOS) ENSAYO COMPORTAMIENTO

Pasos 1500 serie 1 Normal Pasos 1600 serie 2 Normal Pasos 1700 serie 3 Normal Pasos 1800 serie 4 Normal Pasos 1900 serie 5 Normal Pasos 2000 serie 6 Normal Pasos 2100 serie 7 Normal Pasos 2200 serie 8 Normal Pasos 2300 serie 9 Normal Pasos 2400 serie 10 Normal Pasos 2500 serie 11 Normal Pasos 2600 serie 12 Llegó, pero con dificultad, corriente 1,3 amperios Pasos 2700 serie 13 Llegó, pero con dificultad, corriente 1,3 amperios Pasos 2800 serie 14 No llegó, corriente pico 1,3 amperios


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Cuadro 38 Comportamiento servo towerpro MG946R método inmediato.

MÉTODO MASA (GRAMOS) ENSAYO COMPORTAMIENTO

Inmediato 1500 serie 1 Normal Inmediato 1600 serie 2 Normal Inmediato 1700 serie 3 Normal Inmediato 1800 serie 4 Normal Inmediato 1900 serie 5 Normal Inmediato 2000 serie 6 Normal Inmediato 2100 serie 7 Normal Inmediato 2200 serie 8 Normal Inmediato 2300 serie 9 Normal Inmediato 2400 serie 10 Normal Inmediato 2500 serie 11 Normal Inmediato 2600 serie 12 Normal Inmediato 2700 serie 13 No llegó, corriente pico 1,3 amperios Inmediato 2800 serie 14 No llegó, corriente pico 1,3 amperios


Como se puede apreciar en el Cuadro 37 y Cuadro 38, el rendimiento del dispositivo depende del método de control de que se use, aunque el consumo de este modelo TowerPro es mucho menor y es menos susceptible a perturbaciones, ya que el modelo 1270HV presenta comportamientos no deseados cuando se somete a una perturbación (fuerza) sobre el eje del motor.


Este prototipo fue realizado con la finalidad de poner a prueba el modelo MeArm en temas relacionados a alcance máximo, rendimiento de los servomotores, desempeño de la estructura frente a diferentes cargas y ruta de ensamble, a continuación, se muestra la implementación realizada (Ver Figura 3 Robot manipulador MeArm.).

En este prototipo se implementó un microcontrolador Arduino UNO, que contaba con las salidas digitales necesarias para el control de los 3 GDL, poseía una estructura en acrílico de 3mm, como también tornillería milimétrica M3, tuvo un

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rendimiento aceptable, sin embargo, el desplazamiento de las articulaciones los servomotores TowerPro SG90 poseen prestaciones muy bajas y la estructura demanda mayor fuerza de torque.


Este prototipo fue realizado con la finalidad de mejorar la rigidez mecánica de la estructura del robot, por lo cual se aumentó el calibre del material de fabricación a acrílico de 10 milímetros, también se desarrolló y se puso a prueba la segunda morfología seleccionada (SCARA) y se implementaron servomotores con mejores prestaciones como los Turnigy 1270HV y un motor paso a paso, a continuación, se muestran los resultados obtenidos (Ver Figura 61).

También se desarrolló un diseño estructural que permitiera usar las mismas piezas de la base principal para cada una de las morfologías propuestas (SCARA y Antropomórfico), por lo tanto, se obtuvo una plataforma modular y reconfigurable.

Figura 61 Implementación de la morfología SCARA y antropomórfica versión 1.


Se realizaron modificaciones estructurales en el diseño de la base debido a que hubo partes de la estructura que quedaron con un espesor muy delgado que las hizo muy frágiles. Se realizó mecanizado de planeado y taladrado al eje con el objetivo de acople entre el eje de transmisión, el actuador y la base del prototipo,

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también se cambió el motor planteado inicialmente para la base principal, a un servomotor por un motor paso a paso PK266-01A debido a facilidad de implementación y adaptación a la estructura tanto del eje como del armazón. También se presentaron problemas para controlar el motor paso a paso, ya que la interfaz de programación no tenía la flexibilidad necesaria para implementar librerías y los métodos existentes hicieron que la rutina de programación fuera poco eficiente e imprecisa.

Por otro lado, el servomotor usado para el eslabón 1 presentaba problemas de rendimiento ya que el peso de la estructura estaba en el límite del que podía soportar, por lo tanto, la fluidez del movimiento no era la deseada. Finalmente se realizaron ajustes al sistema de sujeción del eje principal ya que con las dimensiones establecidas en un principio existía un problema de ensamble con la base principal.


Este prototipo fue realizado con la finalidad de mejorar la robustez, estabilidad y facilitar la ruta de ensamblaje de la base principal, como también permitir el acople de un servomotor como actuador, se conservó el calibre de las piezas(10mm) pero se cambió el material de fabricación por madera MDF, con el fin de reducir costos de prototipado y tiempos de corte, también se implementaron cuatro piezas (bujes) en impresión 3D como parte de la estructura. A continuación, se muestran los resultados obtenidos en la implementación del prototipo (Ver Figura 62 y Figura 64).

Figura 62 Implementación de la morfología antropomórfica versión 2.


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Se hizo un cambio en el diseño en el eslabón 1 donde se desarrolló un sistema de transmisión por medio de engranes (Ver Figura 63), con tal de reducir las dimensiones de este y se redujo el calibre de las piezas a 6mm con el fin de reducir las cargas efectuadas sobre los servomotores.

Figura 63 Sistema de engranes para transmisión de potencia.


Figura 64 Implementación de la morfología SCARA versión 2.


En esta morfología se desarrolló el eslabón traslacional del SCARA, por medio de un mecanismo piñón cremallera (Ver Figura 65) para la transmisión de movimiento, al final se implementó el mismo eslabón para el Gripper obtenido el diseño de la morfología Antropomórfica como efector final. También se implementaron dos eslabones con características modulares para el proceso de ensamble de las

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morfologías Antropomórfica y SCARA, lo que implicó una reducción sustancial del número de piezas y placas estructurales.

Figura 65 Sistema de piñón cremallera para eslabón 3 del SCARA.



Este prototipo está enfocado en cómo se conectan todos los componentes electrónicos ya sean motores, dispositivos de control, acondicionadores de señal de forma sencilla por medio del desarrollo de una tarjeta tipo Shield acoplada directamente al microcontrolador Arduino. Dicha tarjeta permitirá una interfaz de acoplamiento de las diferentes señales eléctricas entre los dispositivos de toda la plataforma robótica.

Por lo tanto, se realizaron pruebas de laboratorio para determinar la mejor alternativa para el aislamiento de señales eléctrica, se trabajó con un conjunto de parámetros en la rutina de programación que envían un tren de pulsos (PWM) dependiendo del ángulo deseado; con el uso de un osciloscopio digital se obtuvieron los siguientes datos (Ver Cuadro 39 y Cuadro 40).

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Cuadro 39 Mediciones de la señal PWM con osciloscopio y Arduino MEGA.

Grados ° Periodo de la señal (ms) 0 0,604 10 0,704 20 0,804 30 0,904 40 1,004 50 1,104 60 1,200 70 1,304 80 1,400 90 1,504

100 1,600 110 1,704 120 1,800 130 1,904 140 2,000 150 2,104 160 2,200 170 2,300 180 2,400

Ancho del pulso 20,000 Amplitud 5,120

Ruido Cada cambio de estado Fuente: Elaboración propia.

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Cuadro 40 Mediciones de la señal PWM con osciloscopio y Arduino YUN.

Grados ° Periodo de la señal (ms) 0 0,600 10 0,700 20 0,800 30 0,900 40 1,000 50 1,100 60 1,200 70 1,304 80 1,400 90 1,504

100 1,600 110 1,704 120 1,800 130 1,904 140 2,000 150 2,104 160 2,200 170 2,300 180 2,400

Ancho del pulso 20,000 Amplitud 4,720

Ruido Cada cambio de estado Fuente: Elaboración propia.

Estas pruebas fueron realizadas con los motores Turnigy 1270HV, en condiciones normales de funcionamiento como se puede apreciar a continuación (Ver Figura 66).

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Figura 66 Condiciones de pruebas de laboratorio.


Figura 67 Señal obtenida por el osciloscopio antes del aislamiento eléctrico.


Como se puede observar en la Figura 67, la señal de control (PWM) presenta un ruido constante en la señal de control enviada a los servomotores, por lo tanto, se implementó un sistema de aislamiento por fototransistores 4N25 para reducir el ruido, lo cual ocasionaba comportamientos no deseados en los actuadores durante la ejecución de las rutinas de movimiento.

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Figura 68 Señal obtenida después del aislamiento eléctrico.


Como se puede apreciar en la Figura 68, el ruido se redujo en gran medida durante la ejecución de la rutina de movimiento, causando una mejoría en los movimientos de los servomotores, aunque al final del flanco ascendente del PWM se presenta un pico en la señal debido al consumo de corriente del actuador al momento de romper la inercia inicial y también a la inductancia generada por el bobinado interno del motor, esto no afecta el comportamiento del servomotor.


Este prototipo fue realizado con el propósito de aumentar la fuerza aplicada sobre el segundo eslabón de la configuración antropomórfica, por lo tanto, se implementó un sistema de dos servomotores solidarios para mejorar la capacidad de carga de la configuración (Ver Figura 69); con respecto al diseño del resto de los eslabones, no se presentaron cambios importantes.

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Figura 69 Implementación de la morfología antropomórfica versión 3.


Como se puede apreciar en la Figura 69, se implementaron dos servomotores Turnigy 1270HV, conservando el mismo calibre del material propuesto en la Versión 3 lo que mejoró considerablemente la fluidez de los movimientos del robot, por otra parte, se redujo el número de piezas para el ensamble y la cantidad de pasos para reconfigurar el robot a la morfología SCARA.


Se analizó de forma detallada los esfuerzos que deben soportar las piezas críticas del eslabón No. 1 de la configuración antropomórfica para garantizar que estas no vayan a presentar fallos cuando el producto esté en funcionamiento, esta pieza resulta critica para la rigidez mecánica del 70% del robot, ya que de esta se soportan los eslabones siguientes (eslabones No. 2, 3 y 4) de la configuración Antropomórfica.

Para realizar la validación del diseño estructural se procedió a ejecutar un análisis de elementos finitos en el software SolidWorks 2016, donde se aplicó una fuerza de 20N para simular un caso de máxima carga (flechas color morado) a los puntos de soporte de los motores (Ver Figura 70), debido que son los elementos que soportan el peso de la estructura y es un valor que brinda una tolerancia suficiente para la implementación. También se establecieron como partes fijas, los puntos de sujeción de los acoples y bujes que van soportados en la base principal, con tal de obtener un comportamiento similar a condiciones de trabajo normal.

127

Como material de simulación se definió el acrílico, ya que es un material de bajo costo, fácil de mecanizar, buenas propiedades mecánicas y da buena apariencia, frente a otras alternativas como el aluminio o el acero que incrementan los costos debido al proceso de mecanizado (alto costo), a continuación, se muestran las propiedades mecánicas del acrílico (Cuadro 41).

Cuadro 41 Propiedades mecánicas del acrílico para las simulaciones.

PROPIEDADES VALOR UNIDADES Módulo elástico 3000000000 N/m 2 Coeficiente de Poisson 0.35 N/D Módulo cortante 890000000 N/m 2 Densidad de masa 1200 kg/m 3 Límite de tracción 73000000 N/m 2 Límite elástico 45000000 N/m 2 Coeficiente de expansión térmica 5.2e-005 /K Conductividad térmica 0.21 W/(m·K) Calor específico 1500 J/(kg·K)

Fuente: Base de datos de materiales software SolidWorks 2016.

Ahora bien, se muestran los resultados de la simulación de elementos finitos: Von Mises, URES y ESTRN.

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Figura 70 Resultados de simulación para tensión de Von Mises.


Como se puede apreciar en la Figura 70, las zonas color verde fluorescente representan las partes que más son sometidas a esfuerzo mecánico, el limite elástico del acrílico es 4.500e+007 N/m^2 y el nivel más alto obtenido en la simulación es 9.373e+005, por lo tanto, el material está dentro de los límites de rigidez mecánica tolerable.

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Figura 71 Resultados de simulación para desplazamiento resultante (URES).


Como se puede apreciar en la Figura 71, el desplazamiento resultante de la estructura cuando es sometida a la carga de los eslabones en los puntos más críticos llega a 8.074mm, dado el limite elástico del material, se probó que tiene un rendimiento adecuado frente a la carga que será sometida la estructura.

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Figura 72 Resultados de simulación para la tensión superficial equivalente (ESTRN).


Según la Figura 72, se muestra la tensión superficial equivalente por cada área de la malla creada (∆A) para la simulación en software, se puede apreciar las fuerzas internas entre cada ∆A definido en la malla, esto denota el estrés interno de las fuerzas por unidad de área (mm^2).


Para este prototipo se realizaron cambios en todos los eslabones de la plataforma robótica a nivel de las placas estructurales, se realizaron en cada pieza modificaciones tipo slot para reducir el peso total de la estructura, así mismo se redujo el espesor de las placas de los eslabones No. 2, 3 y 4 de la configuración Antropomórfica, como también los eslabones No. 1, 2 y 3 de la configuración SCARA, a continuación, se muestran los resultados.

Debido a el tamaño de la plataforma, la base principal tendía a ser muy inestable cuando el robot estaba en el alcance máximo (el brazo extendido en su totalidad), por lo que se implementaron 4 ventosas en las cuatro esquinas de la base para fijar

131

el producto a la mesa de trabajo con tal de garantizar el correcto funcionamiento (Ver Figura 73).

Figura 73 Implementación de la morfología Antropomórfica versión 4.


En la Figura 73 se puede apreciar el cambio de servomotores del eslabón 1 y la base principal, se cambiaron los 3 motores Turnigy 1270HV por unos servomotores GOTECK HC2627SG de engranes metálicos y sin núcleo lo que permitió un mejor rendimiento en temas de fluidez de movimiento, consumo eléctrico y ruido eléctrico, como también aportaron a la reducción del peso de la estructura, a continuación, se muestra la las características técnicas del actuador (Ver Cuadro 29 Características técnicas de servo HC2627SG.).

132

Figura 74 Implementación de la morfología SCARA versión 4.


También se obtuvo una tercera configuración hibrida entre la estructura del SCARA (eslabones No. 1 y 2) y el eslabón No. 4 del Antropomórfico. Esta configuración posee las mismas prestaciones (carga máxima, espacio de trabajo y alcance máximo) que la SCARA reemplazando el eslabón traslacional por uno rotacional quedando una morfología Rotacional – Rotacional – Rotacional, dando posibilidades en diferentes campos de aplicación, como también la simplificación de la rutina de movimiento, el resultado se muestra a continuación (Ver Figura 75).

133

Figura 75 Implementación de la configuración Hibrida SCARA - Antropomórfico.


8.1.10 Prototipo alfa.

Este prototipo comprende la integración de todos los subsistemas con el fin de verificar el funcionamiento del producto bajo condiciones normales de trabajo y de carga máxima y así realizar los ajustes a nivel mecánico, electrónico, de rutina de software, de apariencia, como también reformas al procedimiento de ensamble en donde se realizó una numeración de las piezas para así generar el manual de ensamblaje.

Se realizaron modificaciones a nivel de seguridad de uso, donde se delimitó la base de la plataforma con cinta amarillo/negro y se demarco con las señales visuales los riesgos de uso del producto (Ver Figura 76), también se agregó una señal lumínica para indicar que la plataforma se encuentra energizada a través de un LED color amarillo (Ver Figura 77).

134

Figura 76 Señales visuales de riesgo de atrapamiento y riesgo eléctrico.

Fuente: Señales de seguridad industrial [imagen]. Mercado libre. [Consultado: 6 de mayo de 2018]. Disponible en internet: https://articulo.mercadolibre.com.ve/MLV-491446142-senales-de-seguridad-industrial-y-comercial-20-x-25-_JM

Figura 77 Ubicación de la señal lumínica (LED).


Por otra parte, se modificó la base principal para que los cables de conexión de los servomotores tuvieran un movimiento sin restricciones, debido a que el diseño anterior no permitía el libre desplazamiento, a continuación, se muestra el resultado obtenido (Ver Figura 78).

135

Figura 78 Modificación tipo slot para el libre desplazamiento del cableado.


8.1.11 Prototipo beta.

Prototipo con todas las funciones en su correcto funcionamiento y operación, como también su completa fabricación en acrílico de 6mm y 3mm respectivamente.

Se muestra a continuación las especificaciones obtenidas con el desarrollo del producto vs las especificaciones preliminares, seguidamente se muestra la tabla comparativa (Ver Tabla M).

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Cuadro 42 Características obtenidas vs características preliminares.

CARACTERISTICA PRELIMINAR OBTENIDO METRICA

Peso de la estructura 2 Kilogramo

Numero de configuraciones para armar 3 3 Unidad

Alcance máximo 42 43.2 Centímetros

Numero de caídas a 1.5m 10 Unidad

Numero de herramientas de ensamble 4 1 Unidad

Numero de partes 100 Unidad

Interfaz gráfica de programación SI SI Binaria

Ítems de seguridad N/A SI Lista

Numero de grados de libertad 5 5 Unidad

Peso máximo de carga 0,3 Kilogramo

Máxima apertura de Gripper 3,5 3,5 Centímetros

Numero de máquinas para fabricar 2 2 Unidad

Consumo eléctrico motores 60 60 Watts

Hardware/Software abierto a modificaciones SI SI Binaria

Nivel de atractivo N/A Subjetivo Fuente: Elaboración propia.

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Figura 79 Prototipo beta en configuración SCARA con todas las conexiones y listo para operar.


138

8.2 PRUEBAS CON GRUPO DE ENFOQUE

Como etapa final de este proyecto se realizaron pruebas de campo con un grupo de tres estudiantes donde se evaluó de forma objetiva las características del producto. El protocolo de la prueba consistió en lo siguiente: se brindaron todas las piezas estructurales del producto, también las herramientas necesarias para el ensamble y se midió el tiempo requerido por los estudiantes para armar completamente una de las configuraciones del robot, se realizó un acompañamiento durante toda la prueba con tal de guiar el proceso (Ver Figura 80 Figura 81 Figura 82 Figura 83). Al finalizar el ensamble se indago a cada uno de los participantes respecto a la dificultad del ensamble, apariencia estética del producto y a la cantidad de piezas.

Figura 80 Pruebas con grupo de enfoque, planteamiento del problema.


139

Figura 81 Proceso de ensamble de sub sistemas.


Figura 82 Ensamble de componentes.


Las pruebas fueron ejecutadas con estudiantes del centro de formación Robótica para niños ubicado en la ciudad de Cali, dirección Carrera 39 # 8A – 33, este es un lugar especializado en la formación de jóvenes de todas las edades en temas de robótica y metodologías STEM, su página web es www.niñosdelfuturo.com.

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Como se menciona anteriormente, estos fueron las opiniones de los estudiantes con respecto al producto:

• Apariencia estética del producto: 8 (en una escala de 1 a 10 donde 1 es poco atractivo y 10 es muy atractivo).

• Dificultad de ensamble: 4 (en una escala de 1 a 10 donde 1 es muy fácil de armar y 10 es muy difícil de armar).

• Cantidad de piezas para ensamble: 5 (en una escala de 1 a 10 donde 1 es pocas piezas y 10 es muchas piezas.

• Tiempo de ensamble: 1 hora 17 minutos.

A continuación, se muestra la evidencia grafica del producto totalmente armado por el grupo de estudiantes, se dio como guía el modelo ensamblado en el software CAD Solidworks como soporte para el proceso.

Figura 83 Ensamble de robot antropomórfico.


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9. CONCLUSIONES

• La utilización de metodologías de diseño concurrente permitió la selección de tres diferentes morfologías de robots manipuladores, las cuales fueron evaluadas de acuerdo con todos los requerimientos del cliente y a su importancia según criterios del equipo de diseño. La utilización de las mismas metodologías permitió ir depurando aspectos claves de diseño con pruebas de laboratorio, simulaciones obteniendo los componentes y estructura idóneas para un producto enfocado a la educación.

• Para permitir una usabilidad idónea de la plataforma robótica fue de vital importancia la selección de una interfaz gráfica de programación que cumpliera requerimientos técnicos de compatibilidad y funcionamiento con la plataforma de desarrollo Arduino, debido a que es necesario tener unos tiempos de respuesta lo suficientemente rápidos para la comunicación con los servomotores y demás periféricos. Además de lo anterior y no menos importante la interfaz gráfica debe poseer aspectos de visuales acordes para generar un acercamiento a la lógica y programación de robots manipuladores en jóvenes con pocos o nulos conocimientos de programación.

• Como parte del desarrollo de este proyecto de grado se utilizaron plataformas de desarrollo de código abierto a nivel de hardware y software, que permiten a los usuarios de este producto generar diferentes alternativas de uso, basándose en los diseños propuestos por el equipo de trabajo, como la generación de planos digitales, rutas de ensamble, planos de conexiones y el uso de componentes disponibles en el mercado.

• Al permitir que el usuario interactúe de manera conjunta con el desarrollo del producto permito que se retroalimentaran aspectos importantes durante toda la etapa de diseño. Esto le dio una mirada global al equipo de diseño de cuales aspectos se deberían reevaluar para permitir una mayor usabilidad de la plataforma robótica y todos los componentes que permiten ensamblarla y programarla.

• En el proceso de seleccionar los componentes, en especial los que comprometen el correcto funcionamiento de la plataforma, es necesario tener muy claro cuáles serán los requerimientos técnicos de funcionamiento mínimo; dado que ciertos fabricantes proporcionan poca información o en el peor de los casos especificaciones erradas. Por lo que se recomienda tener un factor de seguridad elevado al momento de adquirir ciertos componentes.

142

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