Diseño y construcción de robot cartesiano para la clasificación de documentos en función de un código de barras

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(1)La versión digital de esta tesis está protegida por la Ley de Derechos de Autor del Ecuador. Los derechos de autor han sido entregados a la “ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL” bajo el libre consentimiento del (los) autor(es). Al consultar esta tesis deberá acatar con las disposiciones de la Ley y las siguientes condiciones de uso: · Cualquier uso que haga de estos documentos o imágenes deben ser sólo para efectos de investigación o estudio académico, y usted no puede ponerlos a disposición de otra persona. · Usted deberá reconocer el derecho del autor a ser identificado y citado como el autor de esta tesis. · No se podrá obtener ningún beneficio comercial y las obras derivadas tienen que estar bajo los mismos términos de licencia que el trabajo original. El Libre Acceso a la información, promueve el reconocimiento de la originalidad de las ideas de los demás, respetando las normas de presentación y de citación de autores con el fin de no incurrir en actos ilegítimos de copiar y hacer pasar como propias las creaciones de terceras personas.. Respeto hacia sí mismo y hacia los demás..

(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT CARTESIANO PARA LA CLASIFICACIÓN DE DOCUMENTOS EN FUNCIÓN DE UN CÓDIGO DE BARRAS. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL. Cuaycal Bastidas Andrés Fernando [email protected]. Tituaña Dávila Luis Rodrigo [email protected]. DIRECTOR: Nelson Sotomayor, MSc. [email protected]. Quito, Julio 2015.

(3) DECLARACIÓN Nosotros, Andrés Fernando Cuaycal Bastidas y Luis Rodrigo Tituaña Dávila, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí escrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ____________________________. ____________________________. Andrés Fernando Cuaycal Bastidas. Luis Rodrigo Tituaña Dávila.

(4) CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Andrés Fernando Cuaycal Bastidas y Luis Rodrigo Tituaña Dávila, bajo mi supervisión.. ____________________ Nelson Sotomayor, MSc. DIRECTOR DEL PROYECTO.

(5) AGRADECIMIENTO. Agradezco mucho a mis padres por apoyo incondicional, a mi hermana por ser mi confidente y amiga y al ingeniero Nelson Sotomayor. por. sus. acertados. consejos. para. la. culminación. satisfactoria del presente trabajo.. Andrés.

(6) AGRADECIMIENTO. Agradezco a mis padres Luis y Carmen por confiar en mí, por apoyarme durante toda mi vida y por brindarme el mejor hogar del mundo, un lugar cálido donde puedo vivir. Gracias a mis hermanas Mariuxi y Karina, por cuidarme y quererme tanto. Gracias a ustedes porque a pesar de ya ser grande, siento que aún me ven como su hermanito pequeño. Gracias a mi hermano Danny, por ser mi amigo y compañero de casi toda mi vida. Gracias por darme ese ánimo de ser mejor pues contigo siento que mis pequeños logros son grandes victorias. Y no podía olvidar a mis amigos Guillermo, Daniel, Santiago, Malena, Danilo, Albita, Telmo, Lucho y Diego. Gracias a ustedes por hacer la vida de la universidad una fiesta de risas y experiencias. Gracias por su apoyo, gracias por su amistad, gracias por la cantidad de momentos inolvidables que juntos vivimos, y gracias por hacer de mi vida un mundo lleno de colores.. Luis.

(7) DEDICATORIA. El presente trabajo está dedicado a mis padres por su paciencia y apoyo ya que ellos han sido la base para poder cumplir todas mis metas.. Andrés.

(8) DEDICATORIA. Dedico este trabajo a mi familia, mi pilar fundamental para resistir los momentos de adversidad, el amor y apoyo que mi corazón necesita, y mi inspiración para continuar la búsqueda de mis sueños en este largo camino a la felicidad. A mis padres Luis y Carmen en especial, por su amor, paciencia, apoyo, dedicación y comprensión a lo largo de toda mi vida. A ellos que me vieron crecer y que están conmigo cada día de mi vida.. Luis.

(9) i. CONTENIDO CONTENIDO ........................................................................................................... i RESUMEN ............................................................................................................ vi PRESENTACIÓN .................................................................................................. vii CAPÍTULO 1 ..........................................................................................................1 MARCO TEÓRICO .................................................................................................1 1.1 ARQUITECTURA DE ROBOTS .................................................................... 1 1.1.1 ANDROIDES ........................................................................................... 1 1.1.2 MÓVILES ................................................................................................ 2 1.1.3 ZOOMÓRFICOS ..................................................................................... 2 1.1.4 POLI ARTICULADOS .............................................................................. 3 1.1.4.1 Angulares ......................................................................................... 3 1.1.4.2 Cilíndricos ......................................................................................... 3 1.1.4.3 Esféricos o polares ........................................................................... 4 1.1.4.4 SCARA ............................................................................................. 4 1.1.4.5 Cartesianos ...................................................................................... 5 1.2 MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN DE ROBOTS CARTESIANOS................ 6 1.2.1 MÁQUINAS CNC..................................................................................... 6 1.2.2 MÁQUINAS DE PELUCHES Y SISTEMAS SIMILARES ......................... 8 1.2.3 MÁQUINAS DISPENSADORAS DE BEBIDAS O SNACKS .................. 10 1.2.4 PUENTES GRÚA .................................................................................. 11 1.3 SENSORES ................................................................................................ 13 1.3.1 FINALES DE CARRERA ....................................................................... 13 1.3.2 SENSORES MAGNÉTICOS ................................................................. 14 1.3.3 SENSORES INFRARROJOS ................................................................ 14 1.3.3.1 Sensor reflexivo QRD1114 ............................................................. 14 1.3.3.2 Par emisor-receptor infrarrojo ......................................................... 15 1.3.4 LECTOR DE BARRAS ALACRITY MJ4209 .......................................... 16 1.4 ACTUADORES ........................................................................................... 17 1.4.1 MOTORES DE DC ................................................................................ 18 1.4.2 MOTORES A PASOS............................................................................ 19.

(10) ii. 1.4.2.1 Motor unipolar................................................................................. 20 1.4.2.2 Motor bipolar................................................................................... 22 1.5 CÓDIGOS DE BARRAS .............................................................................. 22 1.5.1 CÓDIGOS DE BARRAS LINEALES ...................................................... 23 1.5.1.1 Código 128 ..................................................................................... 23 1.5.1.2 Codabar .......................................................................................... 23 1.5.1.3 Código GS1-128 ............................................................................. 24 1.5.2 CÓDIGOS DE BARRAS EN DOS DIMENSIONES ............................... 24 1.5.2.1 Código QR ...................................................................................... 24 1.5.2.2 Código PDF417 .............................................................................. 25 1.5.2.3 Código de matriz de datos (DATAMATRIX) ................................... 25 CAPÍTULO 2 ........................................................................................................27 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL ROBOT CARTESIANO .............................27 2.1 DISEÑO MECÁNICO .................................................................................. 27 2.1.1 DISEÑO DE LA MATRIZ DE CASILLEROS DE ALMACENAMIENTO . 27 2.1.2 DISEÑO DEL MARCO DEL ROBOT ..................................................... 28 2.1.2.1 Diseño del sistema de movilidad en el eje X .................................. 28 2.1.2.2 Diseño del sistema de movilidad en el eje Y .................................. 32 2.1.2.3 Diseño de la bandeja de entrega de documentos en el eje Z ......... 32 2.1.2.4 Criterios de ubicación de los códigos de barras ............................. 35 2.1.2.5 Diseño del sistema de separación de documentos ........................ 35 2.1.2.6 Diseño del sistema de paso de hojas ............................................. 37 2.1.2.7 Diseño del sistema de detección de existencia de documentos ..... 37 2.2 DISEÑO ELECTRÓNICO ............................................................................ 38 2.2.1 MICROCONTROLADOR ATMEGA164P .............................................. 38 2.2.1.1 Asignación de los pines del microcontrolador ................................. 39 2.2.2 CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES .................. 40 2.2.2.1 Acondicionamiento de finales de carrera ........................................ 40 2.2.2.2 Acondicionamiento de sensores infrarrojos reflexivos .................... 41 2.2.2.3 Acondicionamiento del par emisor-receptor infrarrojo .................... 42 2.2.3 CIRCUITOS DE CONTROL DE MOTORES ......................................... 43 2.2.3.1 Circuito de los motores unipolares ................................................. 44.

(11) iii. 2.2.3.2 Circuito de los motores bipolares ................................................... 45 2.2.3.3 Circuito del motor de DC ................................................................ 45 2.2.4 CIRCUITO DE COMUNICACIÓN DEL MICROCONTROLADOR, EL COMPUTADOR Y EL LECTOR DE BARRAS ............................................... 46 2.2.5 CIRCUITO FINAL IMPLEMENTADO .................................................... 47 CAPÍTULO 3 ........................................................................................................52 DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN Y CONTROL .............................................................................................................52 3.1 PROGRAMA DEL MICROCONTROLADOR DEL ROBOT CARTESIANO . 52 3.1.1 DESCRIPCIÓN DEL ALGORITMO DE CONTROL DEL ROBOT CARTESIANO ............................................................................................... 52 3.1.1.1 Configuración e inicialización del microcontrolador ........................ 53 3.1.1.2 Programa principal ......................................................................... 54 3.1.1.3 Subrutina de posicionamiento inicial del robot cartesiano .............. 56 3.1.1.4 Subrutina de posicionamiento de la bandeja para la recolección del documento ................................................................................................. 56 3.1.1.5 Subrutina de lectura del código de barras ...................................... 58 3.1.1.6 Subrutina de identificación del código de barras ............................ 59 3.1.1.7 Subrutina de Sacar el documento de la bandeja ............................ 60 3.1.1.8 Subrutina de bajar la bandeja a la posición inicial .......................... 60 3.1.1.9 Subrutina de posicionamiento del documento en los casilleros...... 61 3.1.1.10 Subrutina de depositar hoja en el casillero ................................... 63 3.1.1.11 Errores .......................................................................................... 63 3.1.1.11.1 Error de código desconocido, no hay hoja o no hay código .. 64 3.1.1.11.2 Error de falla de sensores ..................................................... 64 3.2 PROGRAMA DE LA INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA ............................... 64 3.2.1 BASE DE DATOS.................................................................................. 65 3.2.2 DESCRIPCIÓN GENERAL ................................................................... 66 3.2.3 PANEL FRONTAL ................................................................................. 66 3.2.4 DIAGRAMA DE BLOQUES ................................................................... 69 3.2.5 ESTADO INICIALIZACIÓN.................................................................... 71 3.2.6 ESTADO ESPERA ................................................................................ 72.

(12) iv. 3.2.7 ESTADO CAJONES .............................................................................. 73 3.2.8 ESTADO MODIFICAR........................................................................... 74 3.2.9 ESTADO GUARDAR ............................................................................. 75 3.2.10 ESTADO MICROCONTROLADOR ..................................................... 76 CAPÍTULO 4 ........................................................................................................78 PRUEBAS Y RESULTADOS ................................................................................78 4.1 PRUEBAS DE LOS SENSORES ................................................................ 78 4.1.1 PRUEBAS DEL SENSOR EN X ............................................................ 78 4.1.2 PRUEBAS DEL SENSOR EN Y ............................................................ 79 4.2 PRUEBAS DEL LECTOR DE BARRAS ...................................................... 80 4.3 PRUEBAS DE DESLIZAMIENTO EN LOS RIELES .................................... 81 4.3.1 PRUEBAS DE LA BANDEJA DE ENTREGA DE DOCUMENTOS ....... 81 4.4 PRUEBAS DEL SISTEMA DE SEPARACIÓN DE DOCUMENTOS............ 82 4.4.1 SISTEMA RODILLO BANDEJA ............................................................ 82 4.4.2 SENSOR DE PASO DE HOJAS ........................................................... 84 4.4.3 SENSOR DE DETECCIÓN DE EXISTENCIA DE DOCUMENTOS ...... 85 4.5 PRUEBAS DEL SOFTWARE ...................................................................... 86 4.5.1 PRUEBAS DEL SOFTWARE DEL MICROCONTROLADOR ............... 86 4.5.2 PRUEBAS DEL LECTOR DE BARRAS ................................................ 88 4.5.3 PRUEBAS GLOBALES DEL PROTOTIPO ........................................... 89 4.5.3.1 PRUEBA DE TIEMPOS .................................................................. 90 4.5.4 COSTOS Y LISTA DE MATERIALES ................................................... 92 CAPÍTULO 5 ........................................................................................................96 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................96 5.1 CONCLUSIONES ........................................................................................ 96 5.2 RECOMENDACIONES ............................................................................... 97 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 100 ANEXO A ................................................................................................................1 MANUAL DEL USUARIO .......................................................................................1 A.1 Descripción del Prototipo .............................................................................. 1 A.1.1 Tablero de control................................................................................... 1 A.1.2 Estructura del Robot Cartesiano............................................................. 2 A.1.3 Conexiones del Sistema ......................................................................... 3.

(13) v. A.1.4 Ubicación de Hojas en la Bandeja de Recepción ................................... 3 A.1.5 Puesta en marcha .................................................................................. 4 A.1.6 Recolección de Documentos .................................................................. 5 A.2 HMI para la edición del código y de la descripción del casillero .................. 5 A.2.1 Utilización del HMI .................................................................................. 7 A.2.2 Edición del código o del casillero............................................................ 8 ANEXO B ...............................................................................................................1 ESQUEMAS mecánicos .........................................................................................1 ANEXO C ...............................................................................................................1 PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO........................................................................1 C.1 ESQUEMA DE LA PLACA DE CONTROL ................................................... 1 C.2 POSICIÓN Y RUTEADO DE LA PLACA DE CONTROL .............................. 2 C.3 LISTADO DE ELEMENTOS DE PLACA DE CONTROL .............................. 3 C.4 ESQUEMA DE LA PLACA DE POTENCIA .................................................. 5 C.5 POSICIÓN Y RUTEADO DE LA PLACA DE POTENCIA ............................. 6 C.6 LISTADO DE ELEMENTOS DE PLACA DE POTENCIA ............................. 7 C.7 ESQUEMA DE LA PLACA DE SENSORES ................................................. 9 C.8 POSICIÓN Y RUTEADO DE LA PLACA DE SENSORES ......................... 10 C.9 LISTADO DE ELEMENTOS DE PLACA DE SENSORES .......................... 11 C.10 ESQUEMA DE LA PLACA DE MOTORES............................................... 13 C.11 POSICIÓN Y RUTEADO DE LA PLACA DE MOTORES ......................... 14 C.12 LISTADO DE ELEMENTOS DE PLACA DE MOTORES.......................... 15 ANEXO D ...............................................................................................................1 HOJAS DE DATOS ................................................................................................1.

(14) vi. RESUMEN El desarrollo tecnológico ha permitido la optimización de procesos, en los cuales los recursos humanos, materiales y el tiempo, se utilizan de manera más eficiente. Esto ha desembocado en la constante búsqueda de nuevos sistemas automáticos orientados a la realización de actividades repetitivas, en donde el empleo de personal implica un desperdicio de recursos intelectuales que pueden ser utilizados en áreas donde las máquinas aún no han sido capaces de reemplazar a las personas. Tal búsqueda de sistemas automáticos va desde el desarrollo de herramientas computacionales hasta la construcción de sistemas mecánicos autónomos o robots. Un robot es un dispositivo mecánico con capacidades motoras construido para cumplir una serie de actividades o tareas. Tales tareas son asignadas por un programador o aprendidas por el propio robot. Los robots son utilizados ampliamente en aplicaciones industriales en las cuales se necesita cumplir con actividades repetitivas con un alto nivel de precisión. El presente trabajo busca solucionar una parte del problema del desperdicio de recursos intelectuales en actividades repetitivas mediante el diseño y construcción de un prototipo de robot cartesiano para la clasificación de documentos en función de un código de barras. Este prototipo realiza la clasificación discriminando la información del código de barras de cada documento, para luego almacenarlo en una locación específica en una matriz de casilleros. Para cumplir este propósito se utilizó un marco de aluminio reforzado en donde se asienta y a través del cual se desplaza la estructura móvil del robot. Además, se utilizaron sensores infrarrojos, magnéticos y finales de carrera para la determinación de la posición del robot. También, un HMI (Human Machine Interface) amigable con el usuario permite la categorización manual de cada casillero así como su lugar en la matriz..

(15) vii. PRESENTACIÓN El presente trabajo se divide en 5 capítulos en los cuales se revisa y explica los distintos conceptos, procesos y actividades realizadas para la elaboración del robot cartesiano. En el capítulo 1, referente al marco teórico del trabajo, se explican y describen diferentes sistemas y arquitecturas de robots, así como diferentes sensores y dispositivos que forman parte de la estructura de un robot. También en este capítulo se realiza la investigación acerca de los diferentes métodos de construcción de robots cartesianos basados en aplicaciones comerciales, a partir de la cual se determina una base sobre el tipo de robot que se va a construir. El capítulo 2 trata del diseño mecánico y electrónico del robot. Se exponen los criterios de selección de la estructura misma del robot, así como los recursos electrónicos utilizados para el control adecuado del robot. El capítulo 3 abarca todo lo que corresponde al diseño del software y sistema de control del robot. En esta sección se explican los distintos eventos y etapas que se tomaron en cuenta para que el robot pueda cumplir su objetivo. Se describe también el algoritmo de control utilizado para que el robot pueda discriminar y localizar el casillero correcto en función del código de barras de cada documento. Las pruebas y resultados tanto del sistema electrónico y mecánico, así como el sistema de control se explican en el capítulo 4. Aquí se muestran los distintos problemas que surgieron durante la construcción de este prototipo y las soluciones implementadas para resolver tales percances. El capítulo final corresponde a las conclusiones y recomendaciones..

(16) 1. CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO 1.1 ARQUITECTURA DE ROBOTS La complejidad de construcción de los robots así como la complejidad de las tareas que pueden realizar han permitido clasificar los robots en 5 tipos de arquitecturas [1].. 1.1.1 ANDROIDES Los robots androides simulan el movimiento total o parcial del cuerpo humano. Son robots cuyas características físicas y/o móviles son humanoides. Este tipo de robots han sido inspirados en la complejidad de tareas que el cuerpo humano puede realizar. También son ampliamente nombrados en historias de ciencia ficción. Este tipo de robots se encuentran en desarrollo y sus aplicaciones son sólo en investigación [2] [3].. Figura 1.1 Robot androide ASIMO, tomado de [4]. La Figura 1.1 muestra uno de los más famosos y complejos robots androides que existen en la actualidad, ASIMO, fue construido por HONDA, y es considerado como el robot humanoide más avanzado que se ha construido hasta la actualidad [4]..

(17) 2. 1.1.2 MÓVILES Los robots móviles están provistos de algún medio para su locomoción como: patas, ruedas, orugas, etc. Estos no se encuentran anclados a un punto fijo y por lo tanto su desplazamiento es muy amplio. Son utilizados para la exploración de zonas en las cuales el ser humano no puede alcanzar (como el espacio), pero también son utilizados en el transporte de materiales o artículos de un punto a otro [2].. 1.1.3 ZOOMÓRFICOS Los robots zoomórficos asemejan sus características a los seres vivos. Un tipo común de estos robots son caminadores. Estos robots están provistos de un variado número de patas que utilizan para su desplazamiento. Existe también otro tipo de robots zoomórficos cuyo desplazamiento no es con patas. Estos robots utilizan un tipo de locomoción basado en el movimiento de animales rastreros como gusanos o serpientes [2] [3]. Un ejemplo de este tipo de robot se muestra en la Figura 1.2.. Figura 1.2 Robot zoomórfico hexápodo.

(18) 3. 1.1.4 POLI ARTICULADOS Los robots poli articulados poseen diferentes sistemas de locomoción ubicados en una misma estructura. Dependiendo de su estructura poseen diferentes grados de libertad que les permiten la realización de varias tareas. Debido a ello, estos robots pueden ser clasificados en 5 grupos: angulares, cilíndricos, polares, SCARA y cartesianos [5] [6].. 1.1.4.1 ANGULARES Los robots angulares se caracterizan por poseer tres tipos de articulaciones, dos angulares y una rotacional. El movimiento de este robot se realiza básicamente por la rotación de la base y luego de sus actuadores angulares [2]. Un esquema de este robot se muestra en la Figura 1.3.. Figura 1.3 Configuración de un robot angular. 1.1.4.2 Cilíndricos Los robots cilíndricos tienen un volumen de trabajo con forma de cilindro en donde su efector final puede desplazarse de forma lineal. Poseen dos articulaciones de movimiento lineal y otra de movimiento rotacional, lo que forma un sistema de coordenadas cilíndricas [2]. Un esquema de este robot se muestra en la Figura 1.4..

(19) 4. Figura 1.4 Configuración de un robot cilíndrico. 1.1.4.3 Esféricos o polares Los robots esféricos o polares se caracterizan por poseer tres tipos de movimientos: rotacional, angular y lineal. Es así que el brazo de este robot forma un sistema de coordenadas polares [2]. Un esquema de este robot se muestra en la Figura 1.5.. Figura 1.5 Configuración de un robot esférico o polar. 1.1.4.4 SCARA Los robots SCARA (Figura 1.6) poseen articulaciones que les permiten tener cuatro grados de libertad. Esto porque el número de ecuaciones necesarias para describir el movimiento cinemático de su actuador final es cuatro. Se caracteriza por poseer articulaciones rotatorias paralelas. Esto le brinda una gran precisión y.

(20) 5. velocidad en su movimiento. Por la estructura y disposición de los componentes de este robot se constituye en el más fácil y simple de implementar [7] [5].. Figura 1.6 Configuración de un robot SCARA. 1.1.4.5 Cartesianos Los robots cartesianos como el de la Figura 1.7 poseen articulaciones de movimiento lineal, es decir, se mueven en línea recta en lugar de rotar. Los ejes de este robot son perpendiculares entre sí y juntos forman un sistema de coordenadas cartesianas. Este tipo de robots son usados en aplicaciones de fresado y dibujo mediante control numérico computarizado (CNC) [8]. Un robot cartesiano posee tres grados de libertad que corresponden a los tres ejes cartesianos: X, Y y Z. Su estructura está compuesta de actuadores lineales que permiten el movimiento del efector final en un volumen de trabajo con forma de prisma con base rectangular [9].. Figura 1.7 Configuración de un robot cartesiano.

(21) 6. 1.2 MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN DE ROBOTS CARTESIANOS La arquitectura de los robots cartesianos, por su facilidad de control y movilidad, ha sido ampliamente utilizada en una gran variedad de aplicaciones, desde proyectos grandes como un puente grúa para movilización de materiales de construcción, hasta proyectos pequeños como máquinas de peluches o máquinas CNC caseras. Estas máquinas tienen un gran valor comercial y por ello se las puede localizar en lugares de fácil acceso en donde sus componentes pueden ser vistos con claridad. A continuación se analizan diferentes sistemas y mecanismos comerciales y caseros que se basan en la construcción de robots cartesianos [10] [8].. 1.2.1 MÁQUINAS CNC Las máquinas CNC, para su movimiento en los ejes X y Y típicamente utilizan husillos con roscas especiales. Los husillos con las roscas correspondientes se muestran en la Figura 1.8.. Figura 1.8 Husillos y roscas. El movimiento se produce cuando el husillo o tornillo sin fin empieza a girar. La rosca se va desplazando longitudinalmente a lo largo del tornillo, y la estructura se va deslizando a lo largo de ejes cilíndricos por medio de rodamientos lineales. La Figura 1.9 muestra un sistema de husillo con rosca acoplado a una plataforma que se desliza por medio de rodamientos lineales [11]..

(22) 7. Figura 1.9 Husillo con rosca y rodamientos lineales. La Figura 1.10 muestra una máquina CNC casera que utiliza husillos para su movimiento. Los motores están acoplados a los husillos mientras que la estructura está asentada en rieles cilíndricos con la ayuda de rodamientos lineales. Para la transmisión del movimiento, además de los husillos, se utilizan también bandas sincrónicas acopladas a poleas especiales para este tipo de bandas. Una banda sincrónica junto a una polea se muestra en la Figura 1.11 [12].. Figura 1.10 Máquina CNC con husillos y rodamientos lineales. Figura 1.11 Cinta sincrónica y polea para motor.

(23) 8. La banda sincrónica permite una mayor rapidez del robot, pero se pierde en la ubicación de la estructura. Una máquina CNC que utiliza bandas sincrónicas se muestra en la Figura 1.12.. Figura 1.12 Máquina CNC con cintas sincrónicas y rodamientos lineales. El movimiento en el eje Z típicamente es realizado por una estructura acoplada a un husillo o tronillo sin fin. Este sistema se muestra en la Figura 1.13.. Figura 1.13 Sistema de movimiento en Z con husillo. 1.2.2 MÁQUINAS DE PELUCHES Y SISTEMAS SIMILARES Una máquina de peluches se mueve en los 3 ejes cartesianos. El movimiento en cada eje es ordenado por el operador. Estas máquinas por lo general se encuentran en centros comerciales o lugares de entretenimiento. Una máquina de peluches y una de tijeras se muestran en la Figura 1.14..

(24) 9. Al igual que las máquinas CNC éstas máquinas utilizan motores a pasos para el movimiento en los ejes X y Y. Los motores transmiten su movimiento mediante bandas sincrónicas o mediante rieles dentados o cremalleras. Al usar bandas sincrónicas los motores se encuentran siempre en una posición fija de la estructura.. Con. cremalleras por. el. contrario, los. motores se. mueven. conjuntamente con la estructura a los largo de su desplazamiento. La estructura se desliza por rieles cilíndricos con la ayuda de rodamientos lineales. El acople del eje de un motor y su cremallera se muestran en la Figura 1.15.. Figura 1.14 Máquina de peluches y sistema de tijeras. Figura 1.15 Cremalleras y acoples para motor. Para el desplazamiento en el eje Z se utiliza un sistema de poleas y una cuerda o cadena que se desenrolla para bajar la garra. La garra, que constituye el efector final de la máquina, es controlada por sistemas de presión neumática o eléctrica. El sistema de movimiento en el eje Z se muestra en la Figura 1.16..

(25) 10. Figura 1.16 Polipasto y garra para el movimiento en Z, tomado de [13]. 1.2.3 MÁQUINAS DISPENSADORAS DE BEBIDAS O SNACKS En este tipo de máquinas el cliente introduce dinero para realizar la compra del producto deseado. Las máquinas dispensadoras de bebidas o snacks típicamente poseen espirales giratorios en los que se encuentran distribuidos los productos. Al girar el espiral el producto avanza por el espacio entre cada espira. Al final de su recorrido el producto cae directamente a la bandeja de entrega en donde el cliente se encarga de recogerlo. Este tipo de sistemas son vulnerables a la mala manipulación de los clientes, es decir, existen métodos por los cuales las personas pueden introducir herramientas o dispositivos extensores que les permiten extraer los productos sin pagar el precio correspondiente. En vista de ello, los sistemas de entrega de productos en estas máquinas han evolucionado. Es así que, actualmente existen sistemas de entrega con elevadores para recoger el producto en su lugar y dejarlo directamente en la bandeja de entrega al cliente. Dos sistemas de elevador se muestran en la. Figura 1.17..

(26) 11. Figura 1.17 Máquinas expendedoras con sistema de elevador. El movimiento de la estructura de estas máquinas es en un plano vertical. Al igual que las máquinas de peluches, estas máquinas utilizan cremalleras y bandas sincrónicas para su movimiento. La Figura 1.18 muestra una banda sincrónica en una máquina expendedora en una estación de trenes en Rusia.. Figura 1.18 Bandas sincrónicas en máquina expendedora. 1.2.4 PUENTES GRÚA Las grúas son sistemas potentes que se utilizan en trabajos pesados, usualmente donde se necesita levantar cargas en el orden de las toneladas. Estos sistemas se utilizan típicamente en la industria en general y su régimen de movimiento se basa en un sistema cartesiano. La Figura 1.19 muestra dos sistemas similares de puentes grúa..

(27) 12. Figura 1.19 Sistemas de movimiento de puentes grúa. Su movimiento en los ejes X y Y se realiza mediante motores eléctricos independientes acoplados a las ruedas de los ejes así como se muestra en la Figura 1.20.. Figura 1.20 Motores acoplados a los ejes para el movimiento en el eje X y Y. El movimiento en el eje Z se realiza mediante un polipasto al cual está acoplado un gancho. Este polipasto es controlado mediante un motor eléctrico que le da suavidad y linealidad al movimiento. Un polipasto comercial utilizado en puentes grúa se muestra en la Figura 1.21.. Figura 1.21 Polipasto para el movimiento en el eje Z.

(28) 13. El movimiento de los componentes se realiza mediante poleas con ranuras en su exterior y actúan como ruedas. En cuanto a la estructura sobre la cual se asientan las partes móviles se pueden destacar dos tipos: de riel simple o de doble riel. La Figura 1.19 muestra a su izquierda una estructura con riel simple y a su derecha una estructura con doble riel.. 1.3 SENSORES Los sensores constituyen los medios por los cuales los robots pueden de alguna forma conocer lo que existe en su entorno. Cada robot, de acuerdo a su aplicación, posee distintos tipos de sensores que le permiten la ejecución de las tareas para las que fue diseñado. Considerando un diagrama de bloques de control, los sensores corresponden el lazo de realimentación del sistema, monitoreando el estado de las diferentes partes del robot.. 1.3.1 FINALES DE CARRERA Los finales de carrera son interruptores que se sitúan en el punto final del recorrido de un elemento móvil. Son activados cuando existe contacto entre el dispositivo móvil y el accionamiento mecánico del interruptor. Internamente están provistos de contactos normalmente abiertos o normalmente cerrados que se activan el instante que el interruptor es accionado. Un final de carrera utilizado en espacios pequeños se muestra en la Figura 1.22.. Figura 1.22 Final de carrera.

(29) 14. 1.3.2 SENSORES MAGNÉTICOS Los sensores magnéticos utilizados son Reed Switch o interruptores de lengüeta. Este tipo de sensores están compuestos internamente por dos contactos ferrosos encapsulados al vacío. Estos contactos reaccionan (abren o cierran) cuando un campo magnético es aplicado ya sea por un imán o una bobina. La rigidez de los contactos permite que al desaparecer el campo magnético los contactos vuelvan a su posición inicial. Se utilizan ampliamente en los sensores de puertas y ventanas de sistemas antirrobo, así como también en ambientes explosivos pues la chispa que se produce en sus contactos queda contenida dentro del encapsulado. La Figura 1.23 muestra varios reed switch con distintas capacidades de corriente dependiendo de su tamaño [14].. Figura 1.23 Reed switch. 1.3.3 SENSORES INFRARROJOS Los sensores infrarrojos son dispositivos capaces de detectar la luz infrarroja que es invisible para el ojo humano. Se valen del principio que todos los cuerpos reflejan una cierta cantidad de radiación, esta radiación puede ser detectada e interpretada de acuerdo a la aplicación en la que se usa el sensor [15].. 1.3.3.1 Sensor reflexivo QRD1114 Los sensores reflexivos miden la cantidad de radiación infrarroja reflejada en una superficie. Esta radiación es generada por un LED infrarrojo y medida por un fototransistor. La cantidad de luz infrarroja reflejada depende de las condiciones de luz ambiental así como del material de la superficie..

(30) 15. El sensor QRD1114 es un sensor infrarrojo reflexivo que tiene incorporado en un mismo encapsulado un diodo infrarrojo y un fototransistor tipo NPN. Este sensor tiene incorporado un filtro de luz de día lo que ayuda a tener una lectura más fiel de la luz reflejada. Posee además un alcance de detección de aproximadamente 7 mm de distancia a la superficie de reflexión. El voltaje máximo de trabajo del fototransistor es de 30V con una disipación máxima de 100mW. La Figura 1.24 muestra el sensor QRD1114 con su respectivo diagrama esquemático [16].. Figura 1.24 Sensor QRD1114 y su diagrama esquemático, tomado de [16]. 1.3.3.2 Par emisor-receptor infrarrojo Este sistema sirve para detectar el paso o movimiento de un objeto. De la misma forma que los sensores reflexivos consta de un diodo emisor de luz infrarroja y de un receptor infrarrojo. La diferencia radica en que el emisor y el receptor están separados apuntando el uno al otro existiendo una línea directa de visión. Al cruzar un objeto, este corta la línea de visión obstruyendo el rayo infrarrojo. Al obstruirse el rayo el fototransistor del receptor deja de ser excitado por lo que varía la corriente que circula por la juntura colector-emisor.. La luz de las. lámparas de iluminación y en especial la luz del sol producen cierta interferencia con estos sistemas, pues existe radiación infrarroja en su espectro luminoso. La Figura 1.25 muestra un receptor y un emisor infrarrojos comerciales [14]. Al igual que en el QRD114 el receptor es un fototransistor tipo NPN. Dependiendo de la capacidad del diodo infrarrojo es posible detectar distancias de hasta 6 m. El terminal más largo del receptor corresponde al colector del fototransitor y el terminal más corto al emisor. El diodo infrarrojo es como cualquier LED, el ánodo corresponde al terminal largo y el cátodo al terminal corto..

(31) 16. Figura 1.25 Par Emisor - Receptor infrarrojo. Este sistema par emisor-receptor infrarrojo tiene también aplicaciones de comunicaciones. Por ejemplo, la comunicación entre un control remoto y un televisor. El control remoto envía una señal infrarroja modulada en frecuencia, alrededor de los 40KHz, y es recibida por el receptor ubicado en el televisor. Se utiliza la modulación por frecuencia para evitar la interferencia de radiación infrarroja externa como el sol o lámparas de iluminación [17].. 1.3.4 LECTOR DE BARRAS ALACRITY MJ4209 Los lectores de barras son dispositivos electrónicos dotados de un láser y un receptor que detecta la cantidad de luz reflejada. La luz es absorbida por las barras negras y reflejada por los espacios vacíos. De este modo, un punto de luz es pasado por las barras mientras que un escáner detecta la luz reflejada convirtiéndola en una señal eléctrica correspondiente a las barras y espacios de los códigos. A simple vista se aprecia una línea roja sobre las barras, pero en realidad es un punto rojo que se desplaza por las barras a muy alta velocidad. Los lectores de barras entregan el número mostrado en el código de barras mas no la imagen. Para la lectura de códigos de barras de dos dimensiones se utilizan cámaras con sistemas de captura de imagen. Cualquier cámara, incluso las de teléfonos celulares, con ayuda de un software para reconocimiento de imagen pueden leer estos códigos [18]..

(32) 17. El lector de barras Alacrity MJ4209 es un lector de barras comercial con aplicaciones industriales, tiene una alimentación eléctrica de 5V con un consumo máximo de 100mA. Tiene una interfaz USB y soporta los siguientes protocolos de comunicación: RS232, TTL, KBW. Su fuente de luz es un láser visible de 650nm de longitud de onda. Tiene una velocidad de escaneado de 200 líneas/segundo y una distancia máxima de escaneado de 25cm. Posee una activación manual, un zumbador y una alerta luminosa. Este lector tolera inclinaciones de hasta 45° y desviaciones de lectura de hasta 30°. La Figura 1.26 muestra el lector de barras Alacrity modelo MJ4209. Este lector de barras tiene incluido un cable USB de 2m además de un manual con códigos de barras para su configuración [19].. Figura 1.26 Lector de barras Alacrity MJ4209. 1.4 ACTUADORES Los actuadores son los elementos que realizan las acciones o trabajo necesario para "actuar" o modificar el estado de un elemento mecánico final. Estos permiten el movimiento de las partes de un sistema. Dependiendo del tipo de alimentación empleada para su movimiento los actuadores pueden clasificarse en tres tipos: neumáticos, hidráulicos y eléctricos. Los actuadores eléctricos más comunes son los motores eléctricos. Los motores eléctricos son utilizados por su facilidad de control, tanto en velocidad como en posición, así como por su gran gama de aplicaciones [20]..

(33) 18. 1.4.1 MOTORES DE DC Los motores de DC (corriente continua) tienen un movimiento continuo del rotor al conectarse un voltaje de DC en sus terminales. Este tipo de motores se basa en el hecho de que polos iguales se repelen y polos opuestos se atraen. Una corriente eléctrica circula por una bobina produciendo un campo magnético en el centro de ella. Alrededor de la bobina se encuentra un campo magnético fijo producido por imanes permanentes o electroimanes ubicados en el estator del motor. El campo magnético de la bobina interactúa con el campo magnético fijo repeliéndose y atrayéndose dependiendo de la posición de la bobina. Esto se consigue cambiando el sentido de la corriente en la bobina por medio de un conmutador en los terminales de ella. Esta conmutación de corriente cambia el sentido del campo magnético en el centro de ella, y por ende cambia la posición del eje de la bobina. Para la conmutación se utilizan unos carbones o escobillas que están en continuo contacto con el conmutador de la bonina. Este contacto produce fricción que hace que los carbones se desgasten con el tiempo, disminuyendo la calidad del contacto y consecuentemente disminuyendo la eficiencia del motor. Es por ello que este tipo de motores requiere un alto mantenimiento. La Figura 1.27 muestra el funcionamiento básico de un motor de DC anteriormente descrito [21] [7].. Figura 1.27 Funcionamiento básico de un motor de DC. Sin embargo, existen otras configuraciones mecánicas que permiten a los motores de corriente continua trabajar con diferentes características. Esto se consigue al cambiar la configuración de los devanados así como la distribución.

(34) 19. interna de los polos permanentes del motor. Así, es posible construir motores especiales como los motores sin escobillas, servomotores y motores a paso, que son fabricados a partir de un motor de corriente continua.. 1.4.2 MOTORES A PASOS Los motores a pasos son motores de corriente continua sin escobillas cuyo movimiento está regido por un tren de pulsos eléctricos, los cuales producen desplazamientos angulares discretos. Este tipo de motores poseen electroimanes dentados en el estator y su rotor es de hierro con forma de engrane. Para que se produzca el movimiento uno de los electroimanes tiene que ser energizado, de esta forma atrae los dientes del rotor. Cuando los dientes del rotor están alineados con el primer electroimán, se encuentran a la vez ligeramente desalineados del siguiente. Cuando el siguiente electroimán es encendido y el primero apagado el eje se mueve ligeramente y se alinea con el segundo. Este proceso se repite consecutivamente con los demás electroimanes produciéndose el movimiento del rotor [22] [23].. Figura 1.28 Motor a pasos. Los motores a pasos poseen la ventaja de poder ser controlados con total precisión. Dado que se mueven por pasos, el ángulo o posición angular de su eje puede ser determinado sin un sensor externo que funcione como realimentación. Es por ello que el ángulo de los motores puede ser controlado como parte de un sistema de control de lazo abierto. Dependiendo de la conexión de los devanados de un motor a pasos, éste puede funcionar en dos configuraciones: unipolar y.

(35) 20. bipolar. La Figura 1.28 muestra un motor a pasos con su eje en forma de engranaje [7] [23].. 1.4.2.1 Motor unipolar Los motores unipolares son motores a pasos en los cuales se tiene acceso al tap central de sus bobinas. Un motor bifásico en funcionamiento unipolar tiene la configuración que se muestra en la Figura 1.29.. D. M. COM. C A. COM. B. Figura 1.29 Esquema del Motor unipolar. Es por esto que este tipo de motores tienen seis o cinco hilos en sus terminales dependiendo de su conexión interna, cuatro de ellos corresponden a sus dos bobinas y el resto corresponde al tap central de ellas. Cuando se tiene acceso a los seis hilos es posible manejar el motor como unipolar o bipolar. El control de los motores unipolares es sencillo, pues simplemente se debe enviar un tren de pulsos secuencial a cada bobina. Controlando la secuencia de activación de las bobinas es posible incrementar el torque del motor, así como el ángulo del paso. Bajo esta consideración los motores pueden funcionar bajo tres regímenes: paso simple, paso doble, medio paso y micro paso. La secuencia de encendido de las bobinas en la secuencia de paso simple se muestra en la Tabla 1.1. Las bobinas se encienden una a la vez. Este método de control permite dar mayor suavidad al movimiento del motor [10]. La secuencia de encendido de las bobinas en la secuencia de paso completo se muestra en la Tabla 1.2. Las bobinas se encienden dos por vez. Al estar dos bobinas encendidas a la vez se tiene un mayor torque de paso y retención..

(36) 21. Tabla 1.1 Secuencia de paso simple Paso Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D 1. 1. 0. 0. 0. 2. 0. 1. 0. 0. 3. 0. 0. 1. 0. 4. 0. 0. 0. 1. Tabla 1.2 Secuencia de paso completo Paso Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D 1. 1. 1. 0. 0. 2. 0. 1. 1. 0. 3. 0. 0. 1. 1. 4. 1. 0. 0. 1. La secuencia de encendido de las bobinas en la secuencia de medio paso se muestra en la Tabla 1.3. La secuencia de medio paso consta de 8 pasos en total. Primero se activa 1 bobina y en el siguiente se activan 2, y así sucesivamente. Esta secuencia permite dar la mitad del paso real del motor. El torque de mantenimiento varía dependiendo del número de bobinas activadas. Es muy útil cuando se necesita precisión en el ángulo que gira el rotor [24]. Tabla 1.3 Secuencia de medio paso Paso Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D 1. 1. 0. 0. 0. 2. 1. 1. 0. 0. 3. 0. 1. 0. 0. 4. 0. 1. 1. 0. 5. 0. 0. 1. 0. 6. 0. 0. 1. 1. 7. 0. 0. 0. 1. 8. 1. 0. 0. 1.

(37) 22. 1.4.2.2 Motor bipolar Los motores bipolares tienen una similar configuración que los unipolares, la diferencia está en que para su funcionamiento se requiere una inversión del sentido de la corriente a través de sus devanados en la secuencia apropiada para lograr el movimiento. Cada inversión del sentido de corriente provoca el movimiento de un paso en el rotor del motor. Es por ello que este tipo de motores posee por lo general 4 hilos, los dos pares corresponden a los terminales de sus dos bobinas [21] [18]. B2. M B1. A2. A1. Figura 1.30 Esquema del Motor bipolar. La secuencia de inversión de polaridad en las bobinas se muestra en la Tabla 1.4. El movimiento se consigue invirtiendo la polaridad de las bobinas una por vez, de forma alternada. Tabla 1.4 Secuencia de inversión de polaridad de un motor bipolar Paso Terminal A1 Terminal A2 Terminal B1 Terminal B2 1. V+. V-. V+. V-. 2. V+. V-. V-. V+. 3. V-. V+. V-. V+. 4. V-. V+. V+. V-. 1.5 CÓDIGOS DE BARRAS Los códigos de barras son arreglos de barras o patrones que contienen una información específica de un artículo. Estos códigos permiten la identificación del artículo, sus características o información sujeta al mismo. Los códigos de barras.

(38) 23. son ampliamente utilizados en procesos de etiquetado y clasificación, así como en la identificación de personas y páginas web [18].. 1.5.1 CÓDIGOS DE BARRAS LINEALES Los códigos de barras lineales se componen de un arreglo gráfico de barras paralelas. El grosor de cada barra así como la separación entre ellas varía dependiendo del tipo de código utilizado [18].. 1.5.1.1 Código 128 El código 128 es un código de alta densidad que permite la codificación de caracteres alfanuméricos o sólo numéricos. Permite también la codificación de los 128 caracteres de la tabla ASCII incluyendo los caracteres de control. La Figura 1.31 muestra un código de barras con codificación 128 [18].. Figura 1.31 Código de barras con codificación 128. 1.5.1.2 Codabar El Codabar es código de barras diseñado para poder ser leído aún si fuera impreso por una impresora de matriz de puntos. Con este tipo de código es posible decodificar caracteres numéricos 0-9 y también 5 símbolos especiales: $.:/+. La Figura 1.32 muestra un código de barras con codificación Codabar [18].. Figura 1.32 Código de barras con codificación Codabar.

(39) 24. 1.5.1.3 Código GS1-128 El código GS1 es un estándar internacional de barras que utiliza las especificaciones del código 128. Este tipo de código igual que el 128 puede codificar caracteres alfanuméricos así como la tabla ASCII completa incluyendo los caracteres de control. Utiliza identificadores de aplicación (números entre paréntesis) que indican el significado de los números posteriores hasta antes del siguiente paréntesis. Estos identificadores de aplicación pueden representar información relacionada con fechas de expiración del producto, nombre de la empresa, número de lote, peso, etc. La Figura 1.33 muestra un código de barras con codificación GS1-128 [18].. Figura 1.33 Código de barras con codificación GS1-128. 1.5.2 CÓDIGOS DE BARRAS EN DOS DIMENSIONES Los códigos de barras en dos dimensiones pueden albergar más información que los códigos de barras lineales. Utilizan básicamente una matriz de puntos ordenada en forma rectangular o cuadrada para la codificación de información. Los métodos de lectura de los códigos de barras en dos dimensiones requieren sistemas de visión y software de reconocimiento de imágenes [18].. 1.5.2.1 Código QR El código QR "Quick Response" por sus siglas en inglés es un código de barras bidimensional con el cual se puede almacenar una gran cantidad de información en una matriz de puntos. Se caracteriza por tres cuadrados que permiten al lector conocer la posición del código. Se utiliza ampliamente en la industria para administración de inventarios y en dispositivos móviles. Un software de lectura implementado en un dispositivo móvil evita el ingreso manual de datos, tales.

(40) 25. como información personal o sitios Web. La Figura 1.34 contiene la URL de la página principal de la página web de la Escuela Politécnica Nacional en código QR [18].. Figura 1.34 URL del sitio web de la EPN en código QR. 1.5.2.2 Código PDF417 El código PDF47 (Portable Data File) es un arreglo de puntos bidimensional en el que el patrón contiene cuatro barras y espacios y que cada patrón tiene 17 unidades de longitud. Es ampliamente usado en tarjetas de identificación como en pasaportes o boletos de avión. La Figura 1.35 contiene la URL de la página principal de la página web de la Escuela Politécnica Nacional en código PDF417 [18].. Figura 1.35 URL del sitio web de la EPN en código PDF417. 1.5.2.3 Código de matriz de datos (DATAMATRIX) El código Datamatrix es un conjunto de celdas negras y blancas ordenados en arreglos cuadrados o rectangulares, cada celda es un cuadrado que representa un bit. Es utilizado para el etiquetado de componentes electrónicos así como otros productos de menor tamaño (el código puede ser escalado hasta 300 micrómetros). La Figura 1.36 contiene la URL de la página principal de la página web de la Escuela Politécnica Nacional en código Datamatrix [18]..

(41) 26. Figura 1.36 URL del sitio web de la EPN en código Datamatrix. Una vez estudiados los diferentes tipos de códigos se decidió emplear el Código 128 porque permite utilizar caracteres alfanuméricos, además de ser soportado por el lector comercial escogido [18]..

(42) 27. CAPÍTULO 2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL ROBOT CARTESIANO 2.1 DISEÑO MECÁNICO 2.1.1 DISEÑO DE LA MATRIZ DE CASILLEROS DE ALMACENAMIENTO Los documentos a clasificar son de tamaño A4 y serán ubicados en una matriz de casilleros de 4 filas y 5 columnas. Una hoja con formato A4 tiene las siguientes dimensiones: 210x297mm. Por lo tanto, el largo de cada casillero debería ser de 21cm. Sin embargo, se contará con 1cm de holgura a cada lado de la hoja. Con esta consideración el largo de cada casillero es de 23cm. Para la profundidad se considerará una holgura de 5cm, por lo tanto la profundidad de cada casillero es de 30cm. La altura de cada casillero se determinó en 16cm, que son suficientes para ingresar libremente las manos así como cualquier efector final del robot. El material que se utilizó es madera triplex de 5mm para el contorno y de 3mm para la separación de cada cajón. Además, se incluye una bandeja de recolección en la cual se colocarán los documentos para que sean tomados y clasificados por el robot de manera automática. Una vista frontal y dos proyectadas de la matriz de casilleros se muestran en la Figura 2.1.. Figura 2.1 Matriz de casilleros.

(43) 28. 2.1.2 DISEÑO DEL MARCO DEL ROBOT Se entiende como marco del robot a la estructura básica en la cual las partes móviles del robot estarán asentadas y podrán desplazarse. Este marco debe ser resistente y fijo, y deberá soportar el peso de las distintas partes del robot con la mayor rigidez posible. Existen muchas formas que puede tomar el robot para realizar su movimiento, por lo que se analizaron otros tipos de robots fijos que utilizan movimientos lineales para efectuar sus tareas como se muestra en el Capítulo 1. En base a ello se determinó que el mejor diseño, tomando en consideración la velocidad y estabilidad durante el desplazamiento, debe incluir un sistema de bandas para la transmisión de movimiento impulsado por motores a pasos y la estructura debe asentarse en rieles cilíndricos o planos por medio de ruedas o rodamientos lineales. Además, la Figura 2.2 muestra la orientación del sistema de coordenadas cartesianas que de aquí en adelante se tomará como referencia para la construcción del prototipo con el plano XZ representando el suelo.. Figura 2.2 Sistema de coordenadas cartesianas de referencia. 2.1.2.1 Diseño del sistema de movilidad en el eje X La distancia total del riel en el eje en X es de 185cm, en ella está incluido el grosor de la madera utilizada en la construcción de los casilleros y la bandeja de.

(44) 29. recolección de documentos. Dada la longitud que debe tener el riel, tanto su forma como su material deben ser los apropiados para que este no se doble en su punto medio debido a su propio peso y al de la estructura móvil. Además, para asegurar la estabilidad del sistema móvil se decidió utilizar un sistema de tres rieles sobre el cual se asentará la estructura móvil. Dos rieles en la parte superior y uno en la parte inferior. Se consideró utilizar un sistema con ruedas o un sistema con rodamientos lineales que permitan el movimiento del sistema en el eje X. Para el uso de rodamientos lineales se necesita de una varilla circular metálica lo suficientemente gruesa y larga para que soporte su peso y el de la estructura móvil sin doblarse. El largo y grosor necesarios hacen que estas guías metálicas sean demasiado costosas. Los rodamientos lineales permiten un deslizamiento suave y estable de la estructura. Sin embargo, su costo en el mercado actual es alto y son difíciles de encontrar con el diámetro exacto de la varilla que se quiere utilizar. Por estas razones, el uso de rodamientos lineales quedó descartado. La Figura 2.3 muestra unas guías con rodamientos lineales.. Figura 2.3 Guías o rieles con rodamientos lineales. Un sistema con ruedas se elige como la mejor opción de implementar pues la estructura completa puede ser construida desde cero y los materiales necesarios son accesibles. Para conseguir el menor esfuerzo del motor que moverá la estructura en el eje X se debe tener la menor superficie de contacto entre el eje y las ruedas. Es por ello que se consideraron dos tipos de rieles. Uno de ellos es también una varilla metálica larga. Esta combinación produce el menor contacto posible pues existe un único punto de contacto entre la superficie de las ruedas y.

(45) 30. la superficie cilíndrica del riel. Sin embargo, por las mismas razones antes escritas ésta quedó descartada. El otro tipo de riel considerado fue uno de aluminio con forma de L que se muestra en la Figura 2.4. Este riel, asentado de forma conveniente con su arista apuntando hacia arriba crea una figura geométrica con forma de triángulo. Esta posición permite que el riel soporte el peso más fácilmente con un doblamiento mínimo en la zona media de su longitud. El aluminio, al poseer excelentes relaciones de peso/rigidez ayuda que el riel sea más fuerte. Es debido a estas características que este tipo de riel fue elegido para el eje X.. Figura 2.4 Riel con forma de L. Por lo tanto, la estructura básica en la que se asentará el robot y los ejes en X es la que se muestra en la Figura 2.5.. Figura 2.5 Marco y rieles en el eje X del robot. El sistema de ruedas que permite el movimiento en el eje X se inspiró en el sistema que se muestra en la Figura 2.6 tomada del libro "Build your own CNC Machine" [12]..

(46) 31. Figura 2.6 Sistema de riel y ruedas, tomado de [12]. Este sistema posee un ángulo metálico en el cual se encuentran varios arreglos con rulimanes y tornillos, dispuestos de forma contrapuesta al riel. Los rulimanes giran libremente mientras son sostenidos por tuercas al soporte en L del sistema. El sistema de ruedas diseñado se muestra en la Figura 2.7. El robot necesita dos carritos para su movilidad, uno en los rieles de la parte superior y otro en el inferior. De esta forma tiene más puntos de soporte y se evita que los rieles se doblen en su zona media. Los carritos superior e inferior diseñados se muestran en la Figura 2.8 y Figura 2.9 respectivamente.. Figura 2.7 Ruedas del robot. Figura 2.8 Vistas del carrito superior.

(47) 32. Figura 2.9 Vistas del carrito inferior. 2.1.2.2 Diseño del sistema de movilidad en el eje Y Para el diseño de esta parte del robot se tomó como referencia las consideraciones realizadas en el diseño del sistema de movilidad en el eje X. Dado que la menor fricción y por ende mayor facilidad de movimiento se da cuando se utiliza una varilla cilíndrica, se decidió utilizar este sistema en el eje Y. Esto porque el sistema está siempre en posición vertical y no existe doblamiento en todo el eje. De esta forma, el sistema de movilidad en Y se muestra en la Figura 2.10.. Figura 2.10 Vistas del carrito en Y. 2.1.2.3 Diseño de la bandeja de entrega de documentos en el eje Z Para el diseño de la bandeja en Z se utilizó el sistema electromecánico que utiliza la unidad lectora de discos de las computadoras de escritorio para expulsar e insertar un disco. Este sistema permite el movimiento en el eje Z del robot. El sistema se muestra en la Figura 2.11..

(48) 33. Figura 2.11 Unidad lectora de discos sin cubierta. Este sistema utiliza un motor de corriente continua acoplado a un sistema de engranajes. Estos permiten el movimiento de la unidad móvil mediante un riel dentado acoplado a la estructura del sistema. Una vista inferior del sistema de la Figura 2.12 muestra el riel dentado con la placa electrónica en donde se encuentra el motor.. Figura 2.12 Vista inferior de la unidad lectora de discos. Para que las hojas sean ubicadas en cada uno de los casilleros se utiliza un sistema que hace que las hojas simplemente resbalen de la bandeja del robot hacia cada casillero. El movimiento lineal en el eje Z debe producir una inclinación en la bandeja del robot suficiente como para que cualquier documento ubicado en la bandeja pueda resbalar fácilmente hacia su respectivo casillero. El sistema diseñado es el que se muestra en la Figura 2.13..

(49) 34. Figura 2.13 Movimiento de la bandeja de entrega en el eje Z. La fricción entre la bandeja de entrega y los documentos puede evitar que estos se deslicen por completo hacia los casilleros. Con el fin de reducir tal fricción se implementó un sistema en la bandeja que permita crear un colchón de aire en su superficie, donde los documentos pueden deslizarse sin problema. Para ello se utilizó un ventilador en la parte central de la bandeja de entrega de documentos. La Figura 2.14 muestra la posición del ventilador en el bandeja así como el colchón de aire creado cuando un documento se encuentra encima.. Figura 2.14 Ventilador en la bandeja de entrega.

(50) 35. 2.1.2.4 Criterios de ubicación de los códigos de barras El criterio más importante de consideración para este punto es el ángulo máximo de desviación con el cual el lector de barras puede reconocer los códigos de barras. Si los códigos de barras con respecto a la línea de visión del lector de barras producen un ángulo mayor al especificado en su manual no existirá lectura alguna. De acuerdo al manual del lector de barras modelo MJ-4209 el ángulo máximo de desviación de lectura es de 30°. De esta forma se calcula la superficie en la cual los códigos de barras podrán ser ubicados de acuerdo a la Figura 2.15.. Figura 2.15 Zona de ubicación de los códigos de barras. Se toma la zona de ubicación de los códigos de barras como el cateto opuesto del ángulo de 30° de la Figura 2.15. Por simples cálculos de un triángulo rectángulo se obtiene: ሺ͵Ͳιሻ ൌ. ܼ‫݊×ܾ݅ܿܽܿ݅ݑ݁݀ܽ݊݋‬ ʹͷ. ܼ‫ ݊×ܾ݅ܿܽܿ݅ݑ݁݀ܽ݊݋‬ൌ ͳͶǤͶ͵ܿ݉ De esta forma se determina que los códigos de barras no pueden ser ubicados a una distancia menor de 14cm desde la parte superior de cada documento.. 2.1.2.5 Diseño del sistema de separación de documentos Para la separación de documentos se utilizó un sistema simple de fricción. Un rodillo con el peso suficiente aplasta los documentos y al girar saca el primer.

(51) 36. documento que se encuentre en la pila. El rodillo utilizado se extrajo de una impresora dañada y es el que se muestra en la Figura 2.16. Las partes negras del rodillo son especiales y poseen una adherencia muy buena para trabajar con hojas de papel, e incluso se utilizan como ruedas de robots zumo por su adherencia al suelo.. Figura 2.16 Rodillo de impresora. Con el sistema implementado no es posible garantizar que el siguiente documento que se encuentra debajo no salga con el documento requerido. Sin embargo, nunca dos documentos salen a la vez, es decir, primero un documento será colocado en la bandeja de entrega mientras que el siguiente estará tal vez a medio recorrido. En este instante se envía la orden de que el rodillo gire en sentido contrario hasta que el documento no deseado regrese a la pila. Un sensor infrarrojo ubicado en el extremo superior de la pila registra que los documentos hayan salido o regresado. Adicionalmente, es necesario asegurar que los documentos caigan a la bandeja de entrega desde la bandeja de recepción, evitando que caigan al suelo al doblarse por su propio peso. Para ello se utiliza un ventilador en la bandeja de recepción que permita crear un suelo falso entre ambas bandejas al momento del paso del documento así como se muestra en Figura 2.17. Cuando el ventilador está encendido el flujo de aire empuja la hoja hacia la bandeja de entrega de documentos.. Figura 2.17 Comparación del efecto proporcionado por el ventilador.

(52) 37. 2.1.2.6 Diseño del sistema de paso de hojas Este sistema permite detectar el instante que un documento está pasando desde la bandeja de recepción hacia la bandeja de entrega. Para ello se utilizó un sistema emisor - receptor infrarrojo que se activa cuando algún documento corta el haz de luz infrarroja que hay entre ellos.. Figura 2.18 Sistema de detección de paso de hojas. 2.1.2.7 Diseño del sistema de detección de existencia de documentos Se colocó un sensor infrarrojo en la base de la bandeja de recolección. Su haz infrarrojo es reflejado en la superficie de cualquier documento haciendo que el sensor cambie de estado. Por lo tanto, el sensor estará activado siempre y cuando exista al menos un documento en la bandeja. La Figura 2.19 muestra la posición del sensor en la bandeja de recepción.. Figura 2.19 Sensor infrarrojo en la base de la bandeja de recolección. Además, el movimiento del rodillo está condicionado por el estado de este sensor. Si el robot detecta que aún existen hojas el rodillo funcionará normalmente. Pero,.

(53) 38. si el robot detecta que ya no hay documentos el rodillo dejará de funcionar hasta que el usuario coloque más documentos.. 2.2 DISEÑO ELECTRÓNICO El diseño electrónico del robot toma en cuenta los circuitos de acondicionamiento de los diferentes sensores utilizados, así como las etapas de potencia de los motores de DC y a pasos y sus circuitos de control. En este capítulo también se muestra el sistema de comunicación entre el lector de barras, microcontrolador y PC. En la Figura 2.20 se puede observar la arquitectura del sistema utilizado mostrando claramente el flujo de información entre sensores, actuadores y el computador.. Figura 2.20 Arquitectura del sistema. 2.2.1 MICROCONTROLADOR ATMEGA164P Se utiliza el microcontrolador ATmega164P debido a su gran versatilidad, capacidad de memoria y cantidad de puertos disponibles. Sus características más importantes por las que fue elegido son las siguientes [25]:.

(54) 39. ·. 32 líneas de entrada/salida programables.. ·. 1 conversor análogo/digital de 10 bits de 8 canales.. ·. 3 timers con pre-escaladores separados, 2 de 8 bits y 1 de 16 bits.. ·. Velocidad normal de trabajo de 1MHz u 8MHz con capacidad de ser extendida hasta 20MHz con un cristal externo.. ·. Capacidad de memoria flash programable de 16Kb.. ·. Capacidad de memoria EEPROM de 512 bytes.. ·. 2 canales de comunicación serial USART.. ·. 3 interrupciones externas y 32 por cambio de estado en el pin.. 2.2.1.1 Asignación de los pines del microcontrolador La Tabla 2.1 muestra la asignación de los pines del microcontrolador de acuerdo a las necesidades presentadas en este proyecto así como una breve descripción de su función en el sistema. Tabla 2.1 Tabla de asignación y descripción de pines del microcontrolador PIN. NOMBRE ENTRADA/ DEL PIN. SALIDA. 40. PA0. 39. PA1. 38. PA2. 37. PA3. 36. PA4. 35. PA5. 34. PA6. 33. PA7. 1. PB0. 2. PB1. 3. PB2. Entrada. 4. PB3. Entrada. Salida. Salida. Salida. Salida. DESCRIPCIÓN. Control del motor bipolar que mueve el rodillo para separar los documentos.. Control del ventilador en la bandeja de recepción de documentos. Control del ventilador en la bandeja de entrega de documentos. Control del motor para el movimiento en el eje Z utilizado para dejar caer los documentos en cada casillero. Final de carrera que detecta el robot cuando se encuentra en el extremo izquierdo de su movimiento. Final de carrera que detecta el robot cuando este se encuentre en el extremo derecho de su movimiento..

(55) 40. Final de carrera que detecta el carrito en el eje Y cuando. 5. PB4. Entrada. 6. PB5. Entrada. 7. PB6. Entrada. 8. PB7. Entrada. 22. PC0. 23. PC1. 24. PC2. 25. PC3. 26. PC4. 27. PC5. 28. PC6. 29. PC7. 14. PD0. Entrada. Datos provenientes del lector de barras.. 15. PD1. Salida. Pulso para activar remotamente el lector de barras.. 16. PD2. Entrada. Rx. Pin de recepción de datos del computador.. 17. PD3. Salida. Tx. Pin de transmisión de datos al computador.. 18. PD4. Entrada. 19. PD5. 20. PD6. 21. PD7. Salida. Salida. se encuentra en su posición más baja. Sensor infrarrojo para el posicionamiento del robot a lo largo del eje X. Sensor infrarrojo para el posicionamiento del carrito en el eje Y a lo largo del eje Y. Par emisor-receptor infrarrojo para la detección del paso de las hojas desde la pila a la bandeja de entrega.. Control del motor unipolar que permite el movimiento del robot en el eje X.. Control de los motores unipolares que permiten el movimiento del carrito en el eje Y a lo largo del eje Y.. Sensor infrarrojo para el control de posición del motor que mueve el lector de barras.. Salida. Entradas del demultiplexor para el encendido de alarmas.. Entrada. Pulsante de reconocimiento de errores del sistema.. 2.2.2 CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES. 2.2.2.1 Acondicionamiento de finales de carrera Dado que los finales de carrera son simples interruptores, su acondicionamiento se realiza tomando en cuenta que la máxima corriente que puede ingresar a uno de los pines es 40mA. Por lo tanto, al momento de presionar la corriente que ingresa al pin es:.

(56) 41. ‫ܫ‬ൌ. ‫ܫ‬ൌ. ܸ ሺʹǤͳሻ ܴ. ͷ ൌ ͷͲͲ ݉‫ܣ‬ ͳͲ݇. Esta corriente no sobrepasa la capacidad de los pines ni de los puertos de acuerdo al manual del microcontrolador y además permite un correcto funcionamiento.. El. circuito. mostrado. en. la. Figura. 2.21. muestra. el. acondicionamiento utilizado y garantiza que mientras los finales de carrera no estén activados, un 1 lógico llegue al pin correspondiente.. Figura 2.21 Acondicionamiento de los finales de carrera. Los finales de carrera, así como cualquier otro dispositivo mecánico de conmutación producen señales de rebote. Esto se debe a que la conexión que realizan estos no es perfecta. Estas señales son pulsos no deseados de muy corta duración lo suficientemente largos como para ser interpretados por el microcontrolador como señales válidas de entrada, lo que produce que el sistema interprete que el conmutador fue accionado varias veces en lugar de una sola. Para eliminar esto se utiliza un circuito antirrebote que es básicamente un capacitor cerámico en paralelo con el dispositivo mecánico.. 2.2.2.2 Acondicionamiento de sensores infrarrojos reflexivos De acuerdo a la hoja de datos del sensor QRD1114 la corriente que debe circular por el diodo es de 20mA. Conectado al colector del fototransistor está una resistencia e 10KΩ que cumplirá la misma función que en los finales de carrera..