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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO

 

 

INTRODUCCIÓN

En muchas ocasiones es necesario el diseño y fabricación de máquinas que puedan realizar el trabajo de un humano en tiempos reducidos, con mayor precisión y que requieren de una gran cantidad de fuerza.

Para este fin se han utilizado la integración de diferentes tecnologías como lo son: la neumática, hidráulica, mecánica, electrónica y sistemas. El sistema puede ser usado en aplicaciones referentes a las áreas de la salud, la industria, la agricultura, el transporte y el entretenimiento entre muchas otras, pero para nuestro fin, nos basaremos  en la parte académica para realizarlo debido a que solo es necesario tener conocimientos básicos en mecánica y electrónica análoga.

Antes que nada, se dará una breve explicación acerca de lo que es este proyecto, su constitución y sus posibles usos.

Básicamente lo que se quiere hacer es un brazo mecánico con cuatro grados de libertad guiado por un control de posición de un servomecanismo de corriente directa en el cual su señal de referencia la dan sensores ubicados en un brazo humano que guiará al robot.

Este robot consta básicamente de un sistema mecánico como: motores, bielas, poleas, acoples, piñones y ejes; un sistema electrónico o de control constituido por: potenciómetros, amplificadores operacionales, transistores, trimmers, resistencias, fuentes de voltaje y cables.

Además de construir este robot para fines netamente académicos y con sus respectivos mejoramientos, se puede contemplar la posibilidad de modificarlo para otras tareas, como lo pueden ser implantes para discapacitados, apoyos en la industria, juguetes para niños, ayudas en el hogar o hasta donde la imaginación de un humano pueda llegar.

 

DISEÑO MECANICO

PLANOS DE LA ESTRUCTURA

Para realizar la estructura del brazo robótico, existe un diseño en la enciclopedia MI COMPUTER, editorial Orbis, 1983 el cual pueden utilizar.

El tamaño del robot puede ser modificado siempre y cuando se respete la escala del diseño original exceptuando los agujeros.  

 
                                                                                   

Debido a diferencias en los tamaños de los motores y al modo de funcionamiento del diseño original se han realizado modificaciones en los planos para mejorar el rendimiento y la verdadera forma de un brazo. 

 

MODELAMIENTO DE PIEZAS POR MEDIO DE SOFWARE (CATIA)

En muchas ocasiones es necesario el uso de algún software de simulación para el diseño de piezas mecánicas en los robots; en este caso decidimos utilizar uno de los software más completos en cuanto a la elaboración de  partes mecánicas y simulación de movimiento como lo es CATIA. 

 

                                                                                     

 

 

SIMULACION BRAZO ROBOTICO

 

MATERIALES

ü  Cuatro motores DC 12 voltios.

ü  Piezas de madera.

ü  Dos acoples mecánicos.

ü  Tres ejes

ü  Una biela

ü  Una polea

ü  Dos piñones

ü  Dos guayas

ü  Una varilla de 1/8

ENSAMBLE DEL BRAZO

 

ü  Primero que todo, una las piezas (1) formando entre ellas una “caja” y colocándole de tapa la pieza número (2).

 
 

ü  Luego de tener la base, una la pieza (3) con la pieza (4) enfrentando sus caras, ábrale un agujero en la mitad para introducir el acople que va conectado al motor de giro base y pegue perpendicularmente las piezas (5) a la unión de (3) y (4).

 

ü  Después de tener las dos partes principales, una el motor de giro base a la base y luego articúlelo con la unión de (3) y (4) por medio del acople.                                                                                                            

                                                                          

 
 
ü
  Una el motor de codo a la pieza (11), y por medio de un acople ligado a una biela únalo a la pieza (10) donde va a estar adherido un potenciómetro. Después, articule las piezas (10), (11) y (5) por medio de un eje.

 

 
 

 

ü

 
Una el sistema de cierre de pinzas diseñado con dos piñones, un motor y un par de guayas a las piezas (8) y (9) y luego únalos a la piezas (10) y (11)

  

  ü  Junte las piezas (7) por medio de ejes colocados en la pieza (6) y fíjelas con las piezas (8) y (9) por medio de un eje. Luego una las pinzas al sistema de cierre de pinzas por medio de dos guayas unidas por una platina de acrílico.

 

 

ü

 
Después, junte el brazo y el antebrazo por medio de un eje.

 

 

ü

 
Por último, una el motor de giro de hombro a la pieza (5) y por medio de una biela y una polea conéctelo con la pieza (11).

 

Hay que tener en cuenta que para cada motor es necesario acoplar un sensor que indique su grado de giro.

 

 

DISEÑO ELECTRONICO O DE CONTROL

Este sistema de control se tomo de un diseño creado por Juan Antonio Contreras Montes Armada República de Colombia, Escuela Naval Almirante Padilla, Cartagena y esta ubicado en la direccion http://www.automatas.org/hardware/teoria_pid.htm

Para controlar el brazo robótico es necesario complementar un sistema de control PID para regular la posición angular de los motores. Este controlador consiste en tres amplificadores operacionales conectados en cascada; el primero configurado como sumador, el segundo como inversor y el tercero como inversor con ganancia de 1 conectados finalmente a un par de transistores que le suministra el voltaje suficiente para activar el motor.

 

 

MATERIALES

 

 

ü  Seis potenciómetros lineales de 10k

ü  Una protoboard

ü  Nueve amplificadores operacionales LM741

ü  Doce resistencias de 270k

ü  Seis resistencias de 39k

ü  Tres resistencias de 1k

ü  Un transistor C2073

ü  Un transistor A1011

 

IMPLEMENTACION DEL CONTROLADOR

Ø   Se comienza  por configurar un amplificador operacional como sumador para verificar que el voltaje de salida es igual a la diferencia entre los voltajes de entrada; señal de referencia (r) y señal real (y).

 

 

 

Ø  Luego se conecta en cascada un amplificador operacional configurado como inversor para amplificar el voltaje R2/R1 veces pero con polaridad inversa. Por esta razón es necesario colocar otro amplificador inversor con ganancia igual a 1 en cascada.

 

Ø  Se puede observar que la señal de control generada será una señal de voltaje que puede variar entre –V y +V dependiendo de la magnitud y polaridad del error. Sin embargo, esta señal no tendrá la potencia necesaria para mover el motor de cd por lo que se hace necesario colocar un amplificador de potencia, que en nuestro caso se implementará con dos transistores PNP y NPN.

 

 

 

Finalmente se puede apreciar completamente el circuito electrónico necesario para el control de cada motor en el robot.

 

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