Brazo robótico de 3GDL

1.3. Componentes electrónicos

1.3.1 Arduino Uno

Se puede definir de manera sencilla como una “placa de microcontrolador que cuenta con un código abierto” según la página oficial de ARDUINO sin embargo, no es tan simple, su creación se remonta al año 2003 en Italia como parte de un proyecto que buscaba que aquellos que no fueran ingenieros tuvieran la oportunidad de poder realizar sus propios proyectos digitales sin la necesidad de todo el conocimiento que dicha carrera requiere y a un costo bastante reducido.

La primeras pruebas y versiones de ARDUINO originalmente tenían integrado el microcontrolador ATmega 168 de 8 bits, sin embargo, para el ARDUINO UNO se utilizó el microcontrolador ATmega328P y la designación UNO logra diferenciar esta placa con las de sus predecesores. La ficha técnica con los datos más relevantes del modelo Rev3 es la siguiente:

1.3.2 Shield CNC v3.0

Este componente es una expansión para el ARDUINO UNO con la función de generar comandos de orden para los motores de paso a paso mediante el código G, logrando esto gracias al firmware GRBL encargado de transformar el archivo GCODE. El Shield permite el control de un servomotor y hasta 3 motores paso a paso quienes representan los puntos X, Y y Z.

Cuenta con conectores para sensores, finales de carrera, etc y como su nombre lo indica, es usado para el montaje de máquinas CNC que no requieren de un conocimiento basto para ser realizadas, a continuación la ficha técnica:

1.3.2 Driver DRV8825

Es un controlador encargado de hacer el uso de los motores paso a paso algo más simple dado que permiten una configuración de ellos al propio arduino. Como su nombre lo indica, es un conductor que nos permite controlar los voltajes elevados así como sus intensidades, esto se logra fijando la corriente que pasa por el motor, el manejo de este driver reside en solamente dos salidas las cuales nos permiten elegir un sentido de giro ya sea horario u antihorario para nuestros motores y a su vez para indicar cuantos pasos queremos que este avance.

En el caso de este driver al trabajar con intensidades superiores a 1.5 A requieren de un disipador de calor, aunque estos sean resistentes requieren de dicha protección para evitar problemas como sobreintensidad o algún cortocircuito. Se muestra su ficha técnica a continuación:

El actuador logra su movimiento mediante tres sistemas de engranajes rectos estando uno en la base y los otros dos en cada lado del brazo estando sus piñones acoplados a un motor cada uno, la primera rueda encaja con la base de la unión del antebrazo que se encuentra unido a este mediante un soporte y si el sentido es horario el antebrazo subirá siendo el caso contrario si es antihorario. Para el brazo se tiene el caso de que la rueda se encuentra directamente encajada en él, se moverá hacia arriba en el sentido antihorario y hacia abajo en el sentido horario. La base consigue su movimiento mediante el acople que tiene con la rueda inferior y el piñón, siendo este último el que recibe el torque necesario por el motor acoplado en él para poder realizar el movimiento rotatorio alrededor de la rueda.

Tabla Piñón-Rueda para la Base

En la siguiente tabla observamos la relación y valores requeridos para la creación del mecanismo que hará de base rotatoria.

Tabla Piñón-Rueda para el brazo y el antebrazo

En la siguiente tabla observamos la relación y valores requeridos para la fabricación de los engranajes usados para el movimiento del brazo en general.

Rueda Inferior

El diseño muestra la rueda estática que se usará para el movimiento rotatorio del piñón, esta se encuentra adaptada en su parte superior para el acople con la base del brazo.

Piñón Inferior y Superior

Los diseños muestran los piñones de 14 y 15 dientes respectivamente los cuales cuentan con una modificación en su centro llamada media luna la cual sirve para generar el torque con el motor gracias al acople fijo.

Base del brazo en conjunto

El ensamble muestra el acople de todas las piezas ya unidas y con soportes adaptados para los tres motores en cuestión.

Soporte para los Motores y encajes para el brazo

El diseño muestra la escápula o parte inicial del brazo en general contando con un soporte para motor en cada lado, a su vez, se tiene la unión para el brazo que cuenta con un paso en el que irá un eje atornillado que unirá a las dos ruedas de los extremos. Cómo último agregado se tiene la unión para el soporte curvo que permitirá el movimiento de la garra.

Primera parte del brazo

El diseño muestra la primera parte del brazo la cual cuenta con dos encajes en forma cónica, uno en cada lado, el primero será para la rueda que le dará movimiento y el segundo será para la unión del soporte con la rueda que moverá el antebrazo y en su parte final tiene el carril de eje que unirá al antebrazo con esta pieza .

Unión al Soporte

El diseño muestra la pieza que une la rueda con el soporte del antebrazo, se puede observar el encaje cónico para la rueda y el carril de eje que lo unirá al soporte .

Antebrazo

El diseño muestra el antebrazo donde se puede apreciar el carril del eje que servirá para unirlo con el brazo, a su vez, tenemos la ampliación izquierda que lo une al soporte que le dará el movimiento y en su frente se encuentra el carril en el cual estará unida la garra.

Soportes

El diseño muestra los soportes usados para el movimiento del antebrazo y la garra siendo el primero el que une el antebrazo con la rueda, el segundo es el curvado que en conjunto con la unión de soportes y el tercero que es el alargado logran darle el movimiento a la mano.

Unión entre Soportes

El diseño muestra la unión entre el soporte curvo y el soporte alargado los cuales le darán el movimiento a la garra de arriba hacia abajo si va en el sentido horario y hacia arriba si va en el sentido antihorario.

Rueda con encaje

El diseño muestra la rueda superior con su respectivo encaje que será usado para accionar mediante una unión al antebrazo, también para mover la parte inicial del brazo y para darle movimiento a la mano usando el propio movimiento de dicho brazo.

Ensamble de la Base completo

El ensamble muestra el acople de todas las piezas para la base del brazo 3GDL incluyendo el diseño de un motor.

Grabación del Movimiento mediante Motion Study

Tabla de los valores del CURA

En la siguiente tabla se tienen los valores modificados para cada apartado necesario y el detalle de tiempo para cada pieza:

Tiempo de Impresión de las piezas creadas

Capturas del tiempo que tomó la impresión de cada pieza considerando los valores de la tabla.

Tiempo de impresión para el antebrazo

Tiempo de impresión para el piñon y rueda superiores

Tiempo de impresión para el soporte de motores

Tiempo de impresión para el brazo

Tiempo de impresión para la union

Tiempo de impresión para el soporte largo

Tiempo de impresión para el soporte curvo

Tiempo de impresión para el soporte largo

Tiempo de impresión para la Unión entre soportes

Tiempo de impresión para la Rueda

Tiempo de impresión para el Piñón

Tiempo de impresión para el acople del Motor X

Conexiones realizadas para el actuador

Se observan las conexiones eléctricas realizadas desde la fuente hacia el CNC SHIELD V3 y mediante una conexión del computador hacia el ARDUINO se controlará el avance del motor usando el software CNCjs.

Video representando el movimiento del Prototipo

Opiniones personales

• El componente de final de carrera se implementó correctamente en el lado derecho del brazo con lo que pudimos controlar el giro y evitar que se enreden los cables.

• Aunque las conexiones se ven expuestas en la foto, el Arduino y componentes irán dentro de la caja en MDF que hace de base para el proyecto al cual tiene aperturas circulares para evitar enganches, con esto evitamos errores pasados como el enganche del cable del motor.

Limitaciones y dificultades

• Debido al problema del pie de elefante principalmente en los engranajes se realizó un fillet a los dientes para un mejor acabado y se usaron soportes al momento de su impresión.

• Al momento de finalizar la impresiones que requerían de un soporte se tuvo que lijar ciertas zonas de la pieza ya que el mismo soporte había dejado deformaciones en la pieza que afectarían en su desempeño posterior.

• Se presentaron problemas al momento de mandar a imprimir ciertas piezas, esto debido a una mala calibración de la cama, afortunadamente se detectó cuando se encontraba en el proceso de delimitar el área con lo que se corrigió y evitaron incidentes más adelante.

Configuración de los Drivers de motores Paso a Paso

Configuración de Micro Pasos

Cálculos de la Cinemática del Mecanismo

Tabla de micropasos para el Brazo

Configuración para el Motor en CNCjs

Diagrama entre SHIELD y DRIVER para el motor

Diagrama de alimentación para el Shield y conexión al Driver para el motor

Diagrama de alimentación para el SHIELD y su conexión con el final de carrera

Opiniones personales

• Gracias a que se cuenta con los 3 motores se pueden realizar acciones más detalladas con el brazo mediante la configuración de sus parámetros de avance.

• Se optó por usar pequeños disipadores de calor por encima de los drivers para evitar sobreintensidad o que se apaguen por exceso de temperatura pudiendo dañarse los componentes.

Limitaciones y dificultades

• Se realizaron calibraciones en el driver para suministrar un valor de corriente tolerable hacia los motores, aproximadamente un 70% de su valor nominal.

• Errores en la configuración causaron la pérdida de un final de carrera así como de un cable de motor con lo que se organizaron nuevamente las conexiones y se ejecutó sin problemas.

• Debido a que durante el desarrollo del proyecto se les inducía excesiva corriente a los drivers y motores causando que estos se sobrecalentaron se concluye que la acción tomada de colocar refrigeración mediante disipadores de calor siendo estos de aluminio que extraen el calor desde su punto de origen para disiparse en el ambiente es la más acertada ya que favorece la vida útil de nuestros componentes.

• Debido a todos los percances presentados en los anteriores laboratorios tales como deformaciones, contornos toscos, rupturas de dientes y material residual adherido en ciertas piezas se concluye que el plan de mantenimiento posterior para cada pieza resultó beneficioso puesto a que gracia a su implementación el acabado de todas las piezas es de una mayor calidad y las relaciones de los engranajes ya no se ven afectadas por los problemas antes mencionados.

• Debido a ciertas dudas sobre el movimiento de las extremidades del brazo se concluyó el seguir un diseño brindado por el docente como referencia, en consecuencia se implementaron soportes que, unidos con las extremidades pueden darle el movimiento deseado a estas mismas basándose en el sentido horario y antihorario.

• Debido a que en pasados laboratorios sucedieron percances graves en las conexiones por movimientos del actuador llegando a perder cables y uniones se concluyó que la mejor forma de evitarlo es con dos modelados en MDF, uno que contenga la fuente y sus conexiones y el otro que haga de base en cuyo interior se encuentra el propio arduino y componentes junto con la caja de la fuente logrando en consecuencia un mejor orden para la distribución de dichas conexiones.

• Debido a que no existía un encaje entre piñones y motores se concluyó que la mejor forma de lograr una correcta relación entre estos era la de crear un corte de medialuna en los ejes de cada motor y adaptar este corte a los piñones logrando así evitar problemas como el giro al vacío o la fricción entre una parte que se mueve y otra que no

Plano Unión al soporte

Brazo

Plano del antebrazo

Plano del Soporte de la base

Plano de piñón y rueda superiores

Plano Unión entre soportes

Plano del Soporte

Plano del Soporte curvo

Plano del Soporte largo

Plano de la Rueda

Plano del Piñón

Plano de la Base para brazo