República Bolivariana de Venezuela

Ministerio de Poder Popular para la Educación

Liceo Bolivariano Coto Paul

Barquisimeto – Lara

CONTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBOTICO, UTILIZANDO METERIALES DE FACIL ACCESO

Barquisimeto-Lara

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio de Poder Popular para la Educación

Liceo Bolivariano Coto Paul

Barquisimeto – Lara

CONTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBOTICO, UTILIZANDO METERIALES DE FACIL ACCESO

DEDICATORIA

Este proyecto esta dedicado principalmente al llamado por muchos “él padre de la robótica”, Isaac Asimov quien fue un destacado escritor quien desde los 18 años comenzó a elaborar obras, las que mas adelante maravillarían a multitudes y servirían de inspiración para los futuros inventores. Pero como ligar a un simple escritor a una ciencia que para muchos es netamente de estudio, prueba y error, pues en sus obras mostraba un mundo futurista donde los robots eran algo común, y los servicios automatizados daban la ilusión de un mundo sin preocupaciones, maquinas autómatas y caminaban lado a lado con el hombre, sirviéndolo y acompañándolo, en un mundo de ensueño. Así mismo no dejo ningún cabo suelto, por que el que la maquina no poseyera tanto sentimiento ni remordimiento y mucho menos estima, más allá de la que el hombre pudiera introducir en su sistema. Por ello elaboro las 3 leyes de la robótica que analizó profundamente y llevó hasta las últimas consecuencias en cada uno de sus numerosos relatos, tanto que esas leyes probablemente serán adoptadas algún día en el mundo de la robótica. (Asimov explicaba que las Tres Leyes fueron creadas por John W. Campbell en una conversación que mantuvieron ambos el 23 de diciembre de 1940).

Una de las principales sagas de Asimov es la de la fundación, seguida por millones de lectores en todo el mundo, en multitud de países diferentes. También podemos destacar otros libros como YO ROBOT o la última trilogía de la fundación, que han escrito Greg Bear, David Brin y Gregory Bedford, que continúan la labor de Asimov.

Todas esas obras fueron y siguen siendo un gran apoyo para inventores que maravillados con tales historias de ciencia ficción buscarían la manera de hacer el mundo fantástico de Asimov mas que una ilusión literaria una realidad, construyendo las maquinas allí mencionadas, dejando un legado interminable de ideas.

ÍNDICE

1. introducción

2. El problema

3. Objetivos

4. Antecedentes

6. Documentación

7. Robótica, Robots y Arquitectura de los robots

8. Anatomía del brazo

9. Palanca de mando

10. Procedimientos: Materiales

11. Procedimientos: Esquema de la idea

12. .

13. .

15. Procedimientos: Análisis de costos

INTRODUCCIÓN

La construcción de este brazo poliarticulado se hará usando como referencia planos de modelos realizados anteriormente por estudiantes y entusiastas de la robótica, tomando de ellos sus mejores aspectos, para esto se utilizaran materiales de fácil acceso en el mercado y de bajos costos y sus planos serán de fáciles de comprender por cualquiera, se comenzara con la construcción de un esqueleto usando como material una lamina de plástico de 3mm de grosor ya que este es tan fuerte como flexible sin dejar de ser liviano ya que así se aprovechara al máximo el desempeño de los motores que vamos a utilizar, para las partes móviles se utilizaran engranajes y tornillos se le requieran para que el brazo se mueva con fluidez y no se trabe al hacer una tarea especifica.

Para su control buscamos una herramienta que pudiese ser utilizada por cualquiera sin tener conocimientos previos de su manejo, elegimos para esto una palanca de mando (joystick), con el cual se podrá operar el brazo de manera remota o a distancia sin tener contacto físico con el.

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EL PROBLEMA

La búsqueda del hombre de crear herramientas que le faciliten su vida, y de sistemas que hagan sus labores menos tediosas, aburridas o agotadoras, y facilitar las que sean difíciles o imposibles de realizar debido a las limitaciones que posea el ser humano. De esta manera nació la robótica la que vino para quedarse y para evolucionar al lado del hombre haciendo su vida cada vez más sencilla.

La creación de estas herramientas nos ha llevado a un mundo donde el límite es la imaginación y donde los sistemas automatizados y sus aplicaciones son innumerables.

La manipulación de objetos, materiales o sustancias, nocivos o peligrosas para el ser humano también le da sentido a la utilización de estas herramientas. Gracias a ellas se pueden manipular seguramente sin riesgo de que alguien salga lastimado.

De esta manera el objetivo de este proyecto es ofrecer una herramienta mecánica controlada remotamente, que pueda realizar un trabajo continuo y sistemático, y que pueda hacer estas labores sin una completa intervención de un operador, y que su función sea la de levantar objetos pesados o peligrosos sin cometer errores que pongan en riesgo la vida o la integridad física de las personas.

Esta herramienta será un robot poliarticulado que será un diseño de brazo mecánico que como ya mencionamos su control será de forma remota, pero que al realizar un proceso y que realizara varias actividades. No será un ser con inteligencia artificial que sino mas bien uno poliarticulado

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OBJETIVOS

• Generales:

Construcción de un brazo robótico poliarticulado que pueda realizar trabajos en un área especifica.

• Específicos:

La utilización de un brazo robótico para realizar tareas en los laboratorios de química para con este manipular materiales o sustancias corrosivas, calientes o acidas, que pongan en peligro la integridad física de los alumnos o los profesores, los cuales deben manipular este de forma remota o bien a distancia.

La manipulación del brazo debe ser sencilla de utilizar para que cualquier persona sin conocimientos previos de su manejo pueda hacer uso de este.

Debe ser construido de manera sencilla, utilizando materiales de fácil acceso y económicos, para que cualquier persona con pocos conocimientos en la materia pueda construirlo siguiendo esquemas o diagramas de fácil interpretación.

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ANTECEDENTES

Se tomaron en cuenta modelos realizados previamente por entusiastas y estudiantes de biomecánica y robótica los cuales hicieron robots un tanto complejos pero que sirvieron de mucha ayuda para realizar el nuestro.

Francisco Carabaza Piñeiro este es el tercer robot que ha construido, actualmente operativo, construido tomando como base un un kit de Lynxmotion, está controlado por microcontrolador Basic Stamp IIsx de Parallax, y tiene capacidad de movimiento, ya que esta montado sobre una base que anteriormente tenía tres ruedas, pero en la actualidad esta movido por dos orugas de goma comandadas por sendos servomotores HiTec HS300, modificados. Esta provisto de un brazo que lleva adosado en la parte superior de su pinza manipuladora con un par de sensores de infrarrojo, para detección de obstaculos, proximidad y medición de luz ambiente, tambien posee un sistema de videocámara CCD montada sobre el brazo, que envía imagenes a la tarjeta capturadora del PC por medio de un transmisor de televisión VHF que emite imagen y sonido en una frecuencia de 224 Mhz, Además esta equipado con un sensor volumetrico de ultrasonidos para captar movimiento, y dos encoders ópticos en las orugas para determinar su giro. Está alimentado por dos bloques de baterias de 6 voltios y 700 mA/h que proporcionan 12 voltios a los circuitos de control y sensores y otra mas de 7,2 voltios y 1600 mA/hora para los servomotores.

(Cabe destacar que este es un modelo muy avanzado de un brazo robótico dado que es un modelo comercial que fue mejorado mara que fuese móvil y autónomo, pero que me entusiasmo mucho para poder encaminarme en la construcción de uno propio pero mas modesto).

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Jaume Quintana de México construyo un brazo que consta de 4 servos controlados con una Basic Stamp II. La placa de circuito impreso esta adaptada para controlar 12 servos y 10 entradas.

Los servos son de 2,8 Kg y uno de 6 kg que es donde reside toda la fuerza para levantar objetos. De momento la alimentación es una pila de 9 voltios para alimentar el BS-II y cuatro pilas recargables de 1,2v para alimentar los servos.

La placa de circuito impreso tiene una salida rs232 para comunicar la BS-II con el PC.

Un código sencillo es el que detallo más abajo: es un movimiento que levanta un objeto y lo levanta de un lado a otro.

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DOCUMENTACIÓN

Robótica, Robots y Arquitectura de los robots

Hoy en día la robótica como disciplina ha crecido mucho y existe una gran cantidad de robots, cada uno de un estilo totalmente diferente al otro. Es muy difícil hacer una clasificación general válida para todos ellos. Con la idea de encuadrar el objeto de este proyecto se va a realizar una clasificación, que no es en absoluto rígido y en la que las fronteras no son totalmente nítidas, pero que nos servirá para centrar las ideas.

Un robot se define como una entidad hecha por el hombre con un cuerpo (anatomía) y una conexión de retroalimentación inteligente entre el sentido y la acción directa no bajo del control humano. Sin embargo, se ha avanzado mucho en el campo de los robots con inteligencia alambrica. Las acciones de este tipo de robots son generalmente llevadas a cabo por motores o actuadores que mueven extremidades o impulsan al robot. Asimismo, el término robot ha sido utilizado como un término general que define a una máquina mecánica o autómata, que imita a un animal, ya sea real o imaginario, pero se ha venido aplicado a muchas máquinas que reemplazan directamente a un humano o animal en el trabajo o el juego. Esta definición podría implicar que un robot es una forma de biomimetismo.

Los robots son usados hoy en día para llevar a cabo tareas sucias, peligrosas, difíciles, repetitivas o embotadas para los humanos. Esto usualmente toma la forma de un robot industrial usado en las líneas de producción. Otras aplicaciones incluyen la limpieza de residuos tóxicos, exploración espacial, minería, búsqueda y rescate de personas y localización de minas terrestres. La manufactura continúa siendo el principal mercado donde los robots son utilizados. En particular, robots articulados (similares en capacidad de movimiento a un brazo humano) son los más usados comúnmente. Las aplicaciones incluyen soldado, pintado y carga de maquinaria. La Industria automotriz ha tomado gran ventaja de esta nueva tecnología donde los robots han sido programados para reemplazar el trabajo de los humanos en muchas tareas repetitivas. Existe una gran esperanza, especialmente en Japón, de que el cuidado del hogar para la población de edad avanzada pueda ser llevado a cabo por robots.

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Robótica, Robots y Arquitectura de los robots

Existen diferentes tipos y clases de robots, entre ellos con forma humana, de animales, de plantas o incluso de elementos arquitectónicos pero todos se diferencian por sus capacidades y se clasifican en 4 formas:

• Androides: robots con forma humana. Imitan el comportamiento del hombre, su utilidad en la actualidad es de solo experimentación. La principal limitante de este modelo es la implementación del equilibrio a la hora del desplazamiento, pues es bípedo.
• Móviles: se desplazan mediante una plataforma rodante (ruedas); estos robots aseguran el transporte de piezas de un punto a otro.

• Zoomórficos: es un sistema de locomoción imitando a los animales. La aplicación de estos robots sirve, sobre todo, para el estudio de volcanes y exploración espacial.

• Poliarticulados: mueven sus extremidades con pocos grados de libertad. Su utilidad es principalmente industrial, para desplazar elementos que requieren cuidados.

El grupo de los robots Poliarticulado son de muy diversa forma y configuración cuya característica común es la de ser básicamente sedentarios (aunque excepcionalmente pueden ser guiados para efectuar desplazamientos limitados) y estar estructurados para mover sus elementos terminales en un determinado espacio de trabajo según uno o más sistemas de coordenadas y con un número limitado de grados de libertad". En este grupo se encuentran los manipuladores, los Robots industriales, los Robots cartesianos y se emplean cuando es preciso abarcar una zona de trabajo relativamente amplia o alargada, actuar sobre objetos con un plano de simetría vertical o reducir el espacio ocupado en el suelo.

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Anatomía del brazo.

La anatomía de un brazo Robot se refiere a la construcción física. La mayoría de los Brazos Robot utilizados en las fábricas actuales están montados sobre una base que esta sujeta al suelo. Los brazos robot están disponibles en una amplia gama de tamaños, formas y configuraciones físicas. La gran mayoría de los brazos comerciales disponibles en la actualidad tienen una de estas cuatro configuraciones básicas:

a).- Configuración polar.

b).- Configuración cilíndrica.

c).- Configuración de coordenadas cartesianas.

d).- Configuración de brazo articulado.

Las cuatro configuraciones básicas se ilustran en las representaciones esquemáticas de la Figura 1. En nuestro caso, la configuración del brazo articulado que se utilizará es la que viene representada por la figura 2).

Fig. 2

Fig. 1

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Palanca de mando

Un joysticko palanca de mandoes un dispositivo de control de dos o tres ejes que se usa desde una computadora o videoconsola al transbordador espacial o los aviones de caza, pasando por grúas.

Se suele diferenciar entre joysticks digitales (que leen cuatro interruptores encendido/apagado en cruceta situada en la base más sus combinaciones y los botones de acción) y joysticks analógicos (que usan potenciómetros para leer continuamente el estado de cada eje, y además de botones de acción pueden incorporar controles deslizantes), siendo estos últimos más precisos.

Elementos de un joystick:

1 Mango
2 Base
3 Botón de disparo
4 Botones adicionales
5 Interruptor de autodisparo
6 Palanca
7 Botón direccional
8 Ventosa

Conectores

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PROCEDIMIENTO

Materiales:

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PROCEDIMIENTO

Esquema de la idea:

Este es el modelo que se sigue, pero con implementando variaciones para la utilización de motores de punto de menos de 4.5 voltios potenciados para trabajar a 12 voltios y materiales más livianos para una mejor movilidad

Esta es una vista preliminar pero no exacta de el modelo que se construirá, dado que en el modelo que se esta siguiendo se utilizaron servomotores, que no son fáciles de conseguir en el país y su costo es muy elevado por lo tanto se utilizaron motores de punto, menos potentes pero más accesibles para cualquiera, estos motores se encuentran en casi todas tas tiendas de electrónica (Los que usan en este modelo fueron extraídos de una impresora hp dejet 3535).

También se sustituyo el uso de perfil de aluminio por uno mas liviano que es el plástico de un grosor de 3mm para la construcción de el esqueleto del brazo, este fue elegido con la intención de que los motores de punto pudiesen con el peso de el esqueleto.

Para las conexiones eléctricas se utilizará cable de red por poseer una única hebra de alambre cobre por lo tanto la corriente llega mas eficazmente a los motores.

Se hará un diagrama del controlador para el brazo ( joystick ) que tendrá una apariencia de palanca, cuyo funcionamiento será básico y fácil de armar.

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A continuación se mostrará el diagrama de las piezas del modelo que construiremos.

Base

Constara de una pieza circular con una circunferencia de 4.5 cm, realizada en una lamina de plástico de 3mm de grosor.

Antebrazo

Este tendrá una longitud de 15.5 cm y su ancho será de 4.8 cm, su construcción será muy parecida a la del brazo con la particularidad de que este debe ser mas resistente al tener que cargar con el peso de todo el modelo.

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Brazo

Este medirá 23 cm de largo por 4 cm de ancho, estará agujereado en los extremos para colocar los ejes y tendrá unos travesaños hechos de tubos de plástico huecos para que sea tanto resistente como liviano.

Pinza

Esta pieza será hecha de plástico duro de un grosor de 3mm y constara de tres piezas individuales adheridas entre si por pegamento de huso industrial.

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Funcionamiento de la pinza:

El abrir y cerrar la pinza se realizara por medio de u mecanismo motorizado, el cual esta representado en la imagen por una pieza circular, este consta de un mecanismo que hala hacia adentro las pinzas para abrirlas o las empuja hacia fuera para cerrarlas. El motor que se utilizara para esto será liviano, lo que es muy importante para no agregar mucho peso a los motores que estarán ubicados en los brazos.

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PROCEDIMIENTO

Análisis de costo:

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CONCLUSIONES

La construcción del brazo robótico poliarticulado esta dirigida mas que todo al estudiantado el que al tomar la iniciativa puede poner un grano de arena mas para tanto la construcción de estas herramientas como para la implementación de estas en el aula de clases así como también el de tomar modelos posteriores para mejorarlos.

Referente a la utilización de un brazo robótico en el aula de clases representa una idea nueva ya que estas mas que todo se encuentran en los grandes laboratorios y no son muy comunes en las escuelas o los liceos, el contar con una herramienta que sea útil para todos es muy importante ya que con ella se corremos menos riesgos de salir lastimados a la hora de manipular materiales o sustancias peligrosas cosa que ocurría con mucha frecuencia al preparar soluciones en química y al manipular tubos de ensayo calientes .

La construcción de este brazo trajo inconvenientes inesperados dado que el grado de conocimientos que teníamos antes de comenzarlo a construir no era muy alto, estos inconvenientes se fueron resolviendo poco a poco al buscarles soluciones rápidamente para no estancarnos.

Es muy importante el uso de materiales livianos para la construcción de un brazo mecánico, ya que todo peso adicional redundará en una complejidad mecánica y económica, debido a que obligará a utilizar motores de mayores potencias. Un buen material es el aluminio o el plástico, este es fácil de conseguir, relativamente económico y extremadamente liviano en comparación con su dureza.

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REFERENCIAS

En este proyecto usamos como referencia una guía publicada en internet por una pagina llamada TODO ROBOT que posee planos y conceptos que ayuden a sus visitantes a iniciar la construcción de un Brazo Mecánico controlado por computadora.

A lo largo de este documento se verán distintos bosquejos e ideas que podrán orientarlos hacia el diseño de un brazo. Si bien los bosquejos presentados corresponden a un modelo de brazo bastante complejo, este puede ser adaptado de acuerdo a las posibilidades de cada uno.

Las siguientes imágenes muestran el modelo terminado del brazo que luego se verá en mas detalle:

Estas imágenes corresponden a un modelo comercial denominado ARMDROID que se utiliza con fines didácticos.

Descripción técnica: En la siguiente figura se puede apreciar un diagrama del ARMDROID con todas Sus partes detalladas:

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Como se puede apreciar este modelo es un brazo muy completo, que posee cuatro ejes de movimiento: Base, Hombro, Codo y Muñeca. Como se ha comentado antes, no es necesario tener todos estos movimientos en un primer diseño. Por ejemplo el movimiento de la muñeca suele complicar bastante el diseño y puede ser obviado perfectamente sin que esto disminuya demasiado la capacidad de trabajo del brazo.

En la siguiente figura se puede apreciar los ángulos de giro clásicos de las distintas articulaciones:

Si bien no se aprecia el ángulo de giro de la base, esta posee un movimiento de derecha a izquierda y viceversa con un ángulo de giro generalmente limitado por los cables que conectan el cuerpo del brazo con la base de apoyo. De todas formas con un buen diseño es posible alcanzar ángulos de giro muy cercanos a los 360°.

En la construcción de este modelo se utilizan 6 motores paso a paso. Uno es utilizado para el movimiento lateral de la base, un segundo y tercer motor para dar movimiento al brazo y antebrazo, un cuarto y quinto motor para accionar la muñeca hacia arriba y abajo y darle giro, y el sexto y último motor para controlar la apertura y cierre del aprehensor de la mano. Los motores se ubican principalmente en la base para evitar cargar con pesos adicionales las extremidades, ya que esto redundaría en tener que usar motores mas potentes para lograr mover las mismas.

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ANEXOS

Estas imágenes corresponden a un modelo comercial denominado ARMDROID que se utiliza con fines didácticos.

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Este es un brazo robot realizado por un estudiante de robótica en España basándose en el modelo Lynxmotion. Carece de algunos movimientos como los de rotación del brazo, y el sistema para que abra y cierre la pinza. Los materiales usados fueron perfil de aluminio blanco y algunos tubitos de acero inoxidable.

Posee el mismo mecanismo que el construido por nosotros, y el chasis es muy parecido con la particularidad que el presentados por nosotros si posee un mecanismo de sierre para las pinzas (con poca potencia pero funciona).

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Brazo mecánico con soldadora de plasmas en su extremo.

Brazo mecánico con potencia hidráulica para la manipulación de paneles de vidrio.

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Impresionante brazo robótico. Creado por Joda, un conocido asiduo de la comunidad oficial y un experimentado aficionado a Lego.

De tamaño medio/grande, utiliza 2 microcomputadores RCX para controlar 5 sensores, 10 motores, 4 de ellos funcionando al unísono y dos son micromotores especiales (son las dos únicas piezas rojas, en la mano del brazo).

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Este es otro modelo construido por estudiantes de el instituto de robótica de Sevilla (España).

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DICCIONARIO DE TERMINOS

Lynxmotion:es una empresa que se encarga de producir modelos de robots variados para cubrir la demanda de entusiastas en esta materia.

Servomotor(también llamado Servo):es un dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación y mantenerse estable en dicha posición.

Joysticko palanca de mando es un dispositivo de control de dos o tres ejes que se usa desde una computadora o videoconsola al transbordador espacial o los aviones de caza, pasando por grúas

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