UNIVERSIDAD RICARDO PALMA FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
AUTOMATIZADO DE EMPAQUE Y TRANSPORTE DE CUBOS DE HIELO EN BOLSAS DE 3.00 KG, UTILIZANDO UN BRAZO ROBÓTICO DE 4 GRADOS DE LIBERTAD, PARA LA EMPRESA
BE FRESH E.I.R.L.
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECATRÓNICO
PRESENTADO POR:
Bach. Gómez Holguín, Marlo Icfredo Enrique Bach. Calderón Vargas, José Francisco
Asesor: Dr. Ing. Palomares Orihuela, Ricardo John
LIMA - PERÚ
2020
ii
DEDICATORIA
Esta tesis está dedicado a todas esas personas que creyeron en nosotros hasta el final y que hoy nos pueden acompañar para celebrar la dicha del crecimiento profesional.
iii
AGRADECIMIENTOS
Queremos agradecer a nuestros padres y hermanos por acompañarnos en este momento tan trascendental de nuestras vidas.
iv
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN ... xiv
ABSTRACT ... xv
INTRODUCCIÓN ... 1
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Problematización ... 2
1.1.1 Formulación del Problema general ... 3
1.1.2 Formulación de los problemas específicos ... 3
1.2 Importancia y justificación de la Investigación ... 4
1.3 Alcances y Limitaciones de la Investigación ... 5
1.4 Objetivos ... 6
1.4.1 Objetivo General ... 6
1.4.2 Objetivos Específicos ... 6
1.5 Estructura de la Tesis ... 7
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 2.1 Marco Histórico ... 9
2.1.1 Antecedentes Nacionales ... 10
2.1.2 Antecedentes Internacionales ... 11
2.2 Relación entre variables ... 13
2.3 Bases Teóricas ... 14
2.3.1 Manipuladores Robóticos ... 14
2.3.2 Automatización industrial ... 31
2.3.3 Sistemas de envasado y transporte ... 35
2.3.4 Sistemas de seguridad para robots industriales ... 41
CAPÍTULO III: DISEÑO DEL SISTEMA 3.1 Condiciones iniciales de diseño ... 45
3.1.1 Condiciones iniciales para el Sistema Mecánico ... 46
3.1.2 Condiciones iniciales para el Sistema Eléctrico y Electrónico ... 46
3.1.3 Condiciones iniciales del software ... 47
v
3.2 Diseño del Sistema Mecánico ... 47
3.2.1 Selección de Materiales para el diseño ... 48
3.2.2 Dimensiones de la sección a mejorar ... 48
3.2.3 Diseño de Subsistemas ... 50
3.2.4 Selección de actuadores ... 73
3.3 Diseño del Sistema Eléctrico y Electrónico ... 86
3.3.1 Selección y acondicionamiento de Actuadores ... 86
3.3.2 Selección y acondicionamiento de Sensores ... 100
3.3.3 Controlador Lógico Programable ... 103
3.3.4 Elección de la fuente de poder y esquema general ... 104
3.4 Diseño del Software del Sistema ... 107
3.4.1 Diseño del software principal del sistema ... 107
3.4.2 Diseño del software del SCADA ... 108
CAPÍTULO IV: IMPLEMENTACIÓN 4.1 Implementación del sistema de dispensado ... 112
4.1.1 Etapa de Recolección ... 113
4.1.2 Etapa de Seccionamiento ... 114
4.1.3 Etapa de dispensado final ... 115
4.2 Implementación del sistema de embolsado ... 115
4.2.1 Base del manipulador ... 116
4.2.2 Hombro ... 117
4.2.3 Codo ... 118
4.2.4 Muñeca ... 120
4.2.5 Herramienta Final ... 120
4.3 Implementación del sistema de transporte ... 122
4.4 Conexionado eléctrico y acondicionamiento de motores ... 122
4.4.1 Driver para motores de paso ... 123
4.4.2 Driver para motor DC ... 124
4.4.3 Sensores utilizados para el prototipo ... 124
4.5 Implementación del SCADA del sistema | ... 126
4.6 Costos de Inversión ... 128
vi CAPÍTULO V: PRUEBAS Y RESULTADOS
5.1 Pruebas en el laboratorio ... 129
5.1.1 Prueba de funcionamiento de sensores ... 129
5.1.2 Prueba de funcionamiento de actuadores ... 133
5.2 Pruebas y resultados del prototipo ... 135
5.2.1 Pruebas ... 135
5.2.2 Resultados ... 140
CONCLUSIONES ... 141
RECOMENDACIONES ... 142
BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ... 143
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 01: Carta de autorización de la empresa “BE FRESH E.I.R.L.” ... 146
Anexo 02: Plano de Rampa recolectora ... 147
Anexo 03: Plano de Rejilla de Soporte ... 148
Anexo 04: Plano de cuerpo de tolva de Seccionamiento ... 149
Anexo 05: Plano de separador de tolva de Seccionamiento ... 150
Anexo 06: Plano de Tolva de dispensado volumétrico ... 152
Anexo 07: Plano de Compuertas de dispensado ... 153
Anexo 08: Plano de Pestaña delimitadora ... 155
Anexo 09: Plano de Segundo limitador de salida ... 156
Anexo 10: Plano de Estructura auto soportada ... 157
Anexo 11: Plano de la Base del brazo Robótico ... 159
Anexo 12: Plano del Primer Eslabón ... 160
Anexo 13: Plano del Segundo Eslabón ... 161
Anexo 14: Plano del Tercer Eslabón ... 162
Anexo 15: Plano de la muñeca ... 164
Anexo 16: Plano de Base de Herramienta Final ... 165
Anexo 17: Plano de eslabones de Herramienta Final ... 166
Anexo 18: Plano de Tenazas de Herramienta Final ... 167
Anexo 19: Plano de mesa giratoria ... 168
Anexo 20: Plano de mecanismo de sellado de bolsas ... 169
Anexo 21: Plano de faja transportadora ... 170
Anexo 22: Código de programación ... 171
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Industria convencional de hielo en cubos ... 6
Figura 2: Estructura de la tesis ... 7
Figura 3: Elementos estructurales de un robot industrial ... 15
Figura 4: Tipos de articulaciones de un robot ... 15
Figura 5: Punto terminal de un manipulador ... 16
Figura 6: Configuraciones más frecuentes de los robots industriales ... 16
Figura 7: Semejanza de un manipulador con el brazo humano ... 17
Figura 8: Sistemas de transmisión para robots ... 18
Figura 9: Características de distintos tipos de actuadores ... 19
Figura 10: Tipos de sensores internos de robots ... 20
Figura 11: Pinza simple de impulsión directa – Pinza movida por cremallera – Pinza de actuador lineal ... 20
Figura 12: Diagrama de relación entre cinemática directa e inversa ... 24
Figura 13: Estructura general de un sistema automatizado ... 31
Figura 14: Diagrama de un sistema de lazo abierto ... 33
Figura 15: Diagrama de un sistema de lazo cerrado ... 34
Figura 16: Diseño de envases para la industria del hielo ... 37
Figura 17: Diagrama de un sistema automático de embolsado ... 38
Figura 18: Jaula de Seguridad para robot industrial ... 43
Figura 19: Esquema del área de trabajo a mejorar ... 45
Figura 20: Medidas del equipo elaborador de hielo ... 49
Figura 21: Bosquejo del sistema propuesto y del área de trabajo designada ... 49
Figura 22: Rampa recolectora sobre mesa de Soporte – Vista Isométrica. ... 51
Figura 23: Disposición final de la etapa de recolección (incluye máquinas TORREY) – Vista Isométrica. ... 51
Figura 24: Estimación del peso soportado para el análisis estructural. ... 52
Figura 25: Análisis estructural – Tensión de Von Mises. ... 53
Figura 26: Análisis estructural – Primera tensión principal ... 53
Figura 27: Análisis estructural – Tercera tensión principal ... 54
Figura 28: Análisis estructural – Desplazamiento ... 54
Figura 29: Análisis estructural – Factor de Seguridad ... 55
ix
Figura 30: Cuerpo de la tolva de Seccionamiento – Vista Isométrica. ... 56
Figura 31: Separador de cubos de hielo – Vista Isométrica. ... 56
Figura 32: Rodaje de separador de cubos – Vista Isométrica. ... 57
Figura 33: Disposición final de la etapa de seccionamiento ... 57
Figura 34: Tolva de dispensado volumétrico – Vista Isométrica. ... 58
Figura 35: Compuertas de dispensado – Vista Isométrica. ... 58
Figura 36: Pestaña delimitadora – Vista Isométrica. ... 59
Figura 37: Segundo limitador de salida – Vista Isométrica. ... 59
Figura 38: Estructura auto soportada del sistema Dispensado volumétrico ... 60
Figura 39: Grados de libertad del brazo robótico ... 60
Figura 40: Diagrama alámbrico del manipulador robótico ... 61
Figura 41: Base del brazo robótico – Vista Isométrica ... 62
Figura 42: Primer Eslabón – Vista Isométrica ... 63
Figura 43: Segundo Eslabón – Vista Isométrica ... 64
Figura 44: Tercer Eslabón – Vista Isométrica ... 64
Figura 45: Disposición final del Tercer y cuarto Eslabón – Vista Isométrica ... 65
Figura 46: Disposición final del eje o Muñeca ... 65
Figura 47: Base de la herramienta final ... 66
Figura 48: Eslabones de la herramienta final ... 66
Figura 49: Disposición de herramienta final ... 67
Figura 50: Disposición final del sistema de embolsado ... 67
Figura 51: Análisis estructural – Tensión de Von Mises. ... 68
Figura 52: Análisis estructural – Primera tensión principal ... 69
Figura 53: Análisis estructural – Tercera tensión principal ... 69
Figura 54: Análisis estructural – Desplazamiento ... 70
Figura 55: Análisis estructural – Factor de Seguridad ... 70
Figura 56: Mesa giratoria previa al sellado ... 71
Figura 57: Faja de transporte con rodillos horizontales ... 72
Figura 58: Dispositivo de sellado de bolsas... 72
Figura 59: Esquema del brazo robótico en Posición 1 ... 74
Figura 60: Esquema del brazo robótico en Posición 2 ... 74
Figura 61: Esquema del brazo robótico en Posición 3 ... 75
Figura 62: Esquema del brazo robótico en Posición 4 ... 75
Figura 63: Estimación del peso del Eslabón 2 mediante Autodesk Inventor ... 76
x
Figura 64: Resultados de posición (1-2) mediante MATLAB – MathWorks ... 77
Figura 65: Resultados de posición (2-3) mediante MATLAB – MathWorks ... 78
Figura 66: Resultados de posición (3-4) mediante MATLAB – MathWorks ... 79
Figura 67: Resultados de posición (4-5) mediante MATLAB – MathWorks ... 79
Figura 68: Función Denavit-Hartenberg para MATLAB – MathWorks ... 80
Figura 69: Matrices de transformación homogénea del robot manipulador ... 81
Figura 70: Representación en 3D del brazo robotico (1-5) mediante MATLAB – MathWorks ... 82
Figura 71: Transmisión por engranajes para Ө1, Ө2 y Ө3 ... 83
Figura 72: Determinación del par necesario en las articulaciones ... 84
Figura 73: Rodaje y mecanismo de separación ... 87
Figura 74: Actuador de mecanismo de separación ... 88
Figura 75: Ubicación del actuador del mecanismo de separación ... 88
Figura 76: Eje de giro de compuertas ... 89
Figura 77: Servomotor de giro de compuertas ASME-03A ... 90
Figura 78: Ubicación de actuadores de giro de compuertas ... 90
Figura 79: Servomotor de giro de compuertas ASME-03A ... 92
Figura 80: Ubicación del actuador de articulación Ө3 ... 92
Figura 81: Ubicación del actuador de articulación Ө1 ... 92
Figura 82: TTLinker para control de servomotor ... 93
Figura 83: Servomotor paso a paso del actuador de articulación Ө2 ... 94
Figura 84: Ubicación del servomotor Paso a Paso de articulación Ө2 ... 95
Figura 85: Servomotor de articulación Ө4 ... 96
Figura 86: Ubicación del actuador de articulación Ө4 ... 96
Figura 87: Servomotor utilizado en herramienta final ... 96
Figura 88: Ventosas ubicadas en pinzas de sujeción ... 97
Figura 89: Bomba de succión ... 98
Figura 90: Faja transportadora DRAFTPACK ... 98
Figura 91: Determinación del momento de inercia sobre mesa giratoria ... 99
Figura 92: Primeros 2 sensores capacitivos en etapa de dispensado ... 100
Figura 93: Sensor capacitivo encargado del dispensado volumétrico ... 101
Figura 94: Sensor capacitivo LJC18A3-H-Z/BX ... 101
Figura 95: Sensor PIR LJC18A3-H-Z/BX... 103
Figura 96: Ubicación de sensores PIR ... 103
xi
Figura 97: Esquema de conexiones PLC S7-200 ... 104
Figura 98: Fuente conmutada TTW-1500-48 ... 105
Figura 99: Esquema general de conexiones ... 106
Figura 100: Software principal del sistema ... 107
Figura 101: Panel frontal del SCADA del sistema ... 108
Figura 102: Panel de programación del SCADA - Option (a) ... 109
Figura 103: Panel de programación del SCADA - Option (b) y (c) ... 110
Figura 104: Panel de programación del SCADA - Option (d) ... 110
Figura 105: Panel de programación del SCADA - Option (e) y (f) ... 111
Figura 106: Selección de puerto de comunicación del SCADA ... 111
Figura 107: Fabricación de Rampa de recolección y estructura de soporte ... 113
Figura 108: Fabricación de la Tolva de Seccionamiento ... 114
Figura 109: Fabricación de etapa de dispensado volumétrico ... 115
Figura 110: Aluminio utilizado para la elaboración del brazo robótico ... 116
Figura 111: Diseño e implementación de la base del brazo robótico (S0yƟ1). ... 117
Figura 112: Diseño del eslabón S1 y articulación Ɵ2 ... 117
Figura 113: Implementación del eslabón S1 y articulación Ɵ2 ... 118
Figura 114: Diseño del eslabón S2 y Articulación Ɵ3 ... 118
Figura 115: Disposición de los eslabones S2 y S3 ... 119
Figura 116: Implementación del “Codo” - S2 y S3 ... 119
Figura 117: Diseño de la “muñeca” sobre el eslabón S3 ... 120
Figura 118: Implementación de la “muñeca” sobre el eslabón S3 ... 120
Figura 119: Mecanismo de Sujeción “Gripper” ... 121
Figura 120: Sistema de embolsado – brazo Robótico de 4 GDL ... 121
Figura 121: Sistema de transporte – Faja transportadora ... 122
Figura 122: Driver para motores de Paso del prototipo ... 123
Figura 123: Circuito esquemático del driver para motor de Paso ... 123
Figura 124: Placa ARDUINO - L298 ... 124
Figura 125: Sensor capacitivo LJC18A3-H-Z/BX ... 125
Figura 126: Sensor PIR HC-SR501 ... 125
Figura 127: Panel frontal del SCADA del sistema ... 126
Figura 128: Trabajos realizados para el acondicionamiento del SCADA ... 126
Figura 129: Sinergia de los 3 subsistemas (Dispensado, Embolsado y Transporte) .... 127
Figura 130: Vista general del Prototipo a escala ... 127
xii
Figura 131: Soporte de sensores en impresión 3D ... 130
Figura 132: Conexiones del sensor capacitivo ... 130
Figura 133: Prueba de sensores con cubos de hielo ... 131
Figura 134: Divisor de voltaje para sensor capacitivo ... 131
Figura 135: Sensor PIR – Disposición interna del sensor ... 132
Figura 136: Calibración del sensor PIR ... 132
Figura 137: Herramienta LINX de LabVIEW para control de Servomotores ... 133
Figura 138: Prueba en LabVIEW para el control de 2 Servomotores ... 134
Figura 139: Pruebas de funcionamiento de sensores y actuadores del prototipo ... 135
Figura 140: Prueba de funcionamiento de las secuencias del sistema ... 136
Figura 141: Prueba de funcionamiento del SCADA del prototipo ... 136
Figura 142: Prueba de Dispensado ... 137
Figura 143: Prueba de Embolsado ... 138
Figura 144: Prueba de Sellado ... 139
Figura 145: Prueba de Transporte ... 139
xiii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Cuadro comparativo de materiales estructurales ... 48
Tabla 2: Parámetros Denavit- Hartenberg ... 62
Tabla 3: Estimación del peso por articulación ... 76
Tabla 4: Cálculo de torques en cada articulación (Posición 1 – 4) ... 85
Tabla 5: Cálculo de torques en cada motor (Posición 1 – 4) ... 85
Tabla 6: Especificaciones técnicas del actuador del mecanismo de separación ... 88
Tabla 7: Especificaciones técnicas del actuador de las compuertas de paso de cubos de hielo ... 90
Tabla 8: Especificaciones técnicas del actuador usado en las articulaciones Ө1 y Ө3 ... 91
Tabla 9: Especificaciones técnicas del actuador usado en la articulación Ө2 ... 94
Tabla 10: Especificaciones técnicas del actuador usado en la articulación Ө4 ... 95
Tabla 11: Especificaciones técnicas del actuador de la herramienta final ... 97
Tabla 12: Especificaciones técnicas del actuador de succión ... 97
Tabla 13: Especificaciones técnicas de la faja transportadora ... 99
Tabla 14: Especificaciones técnicas del sensor capacitivo ... 102
Tabla 15: Estimación del consumo eléctrico total ... 105
Tabla 16: Costos de inversión para la implementación del prototipo ... 128
xiv
RESUMEN
La presente tesis contiene la propuesta de mejora de los procesos no automatizados en la empresa BE FRESH E.I.R.L., encargada de la fabricación, venta y distribución de hielo en cubos en bolsas de 3.00 Kg, de acuerdo a los estándares del mercado peruano.
La tesis abarca tanto el diseño estructural del sistema de empaque y transporte del hielo en cubos, liderado por un brazo robótico de 4 grados de libertad, un sistema de dispensado volumétrico y una faja de transporte mediante el uso del software Autodesk Inventor y MATLAB Mathworks. Se diseñó el acondicionamiento eléctrico para una puesta en marcha, con consumo total del sistema de 882.28 Watts. Se diseñó el software y se seleccionó el hardware a cargo de realizar las tareas de procesamiento, controlador lógico PLC M-Duino, sensores capacitivos LJC18A3-H-Z/BX, servomotores de alto torque ASME-03A/ASME-03B encargados del movimiento de todo el sistema; adicional a ello, se diseñó un sistema de monitoreo mediante un SCADA, lo cual permite la visualización de los procesos mediante el software LABVIEW con un tiempo de respuesta de 0.20 segundos. Como resultado se diseñó e implemento un sistema automatizado de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3.00 kg, para la mejora de los procesos en BE FRESH E.I.R.L.
Se logró demostrar, mediante un prototipo y mediante las pruebas correspondientes, la capacidad del sistema de recolectar el hielo en cubos y empacarlo en bolsas; así mismo se demostró el correcto funcionamiento de los sensores para la detección del hielo en el diseño propuesto. Se realizaron pruebas de operación, monitoreo y supervisión en tiempo real, lográndose una correcta comunicación con el sistema y por lo tanto una mayor eficiencia en las tareas de empaque y transporte de cubos de hielo para la empresa BE FRESH E.I.R.L., alcanzando, un tiempo de operación de 55 segundos para un ciclo completo de embolsado de 2 bolsas.
Palabras Clave: Sistema automatizado, Hielo, empaque y transporte, brazo robótico, SCADA.
xv
ABSTRACT
This thesis contains the proposal to improve non-automated processes in the company BE FRESH E.I.R.L., in charge of the manufacture, sale and distribution of cubed ice in 3.00 Kg bags, according to the standards of the Peruvian market.
The thesis covers both the structural design of the cube ice packaging and transport system, led by a 4-degree-of-freedom robotic arm, a volumetric dispensing system, and a conveyor belt using Autodesk Inventor software and MATLAB Mathworks. The electrical circuits were designed for a start-up, with a total system consumption of 882.28 Watts. The software was designed and the hardware was selected in charge of performing the processing tasks, M-Duino PLC logic controller, LJC18A3-HZ / BX capacitive sensors, ASME-03A / ASME-03B high torque servo motors responsible for the movement of the entire system; In addition to this, a monitoring system was designed using a SCADA, which allows the visualization of the processes through the LABVIEW software with a response time of 0.20 seconds. As a result, an automated system for packing and transporting ice cubes in 3.00 kg bags was designed and implemented to improve processes at BE FRESH E.I.R.L.
It was possible to demonstrate, through a prototype and through the corresponding tests, the ability of the system to collect ice cubes and pack it in bags; Likewise, the correct operation of the sensors for ice detection in the proposed design was demonstrated.
Operation, monitoring and supervision tests were carried out in real time, achieving correct communication with the system and therefore greater efficiency in the tasks of packing and transporting ice cubes for the company BE FRESH EIRL, reaching a time of 55 second operation for a complete 2 bag bagging cycle.
Keywords: Automated system, Ice, packaging and transportation, robotic arm, SCADA.
INTRODUCCIÓN
A medida que transcurren los calurosos meses de verano, los productos de cubos de hielo envasados deben estar preparados para cubrir la gran demanda, por lo que las fábricas de cubos hielo aumentan su producción, capacidad de almacenaje y hacen mejoras en el proceso de fabricación, ya sea, implementando o adquiriendo nuevos equipos.
BE FRESH E.I.R.L. es una empresa PYME fundada en el año 2012, dedicada a la comercialización de hielo en cubos en bolsas de 3,00 Kg, que utiliza en su proceso máquinas de la marca TORREY, modelo MHC-975/2154 de 220v, para su posterior recolección y embolsado de manera manual, es decir un operario recolecta mediante una pala de acero inoxidable los cubos de hielo en empaques de 3,00 Kg para su posterior almacenaje y transporte hacia el área de almacén.
Puesto que hoy en día encontramos en el marcado máquinas para fabricación de cubos de hielo continuas, es decir que pueden llevar a cabo dicho proceso de manera ininterrumpida, lo cual permite ampliar su producción, y obliga a las fábricas convencionales, las cuales utilizan el factor humano en grandes proporciones, a actualizarse o adquirir nueva maquinaria que se encargue del embolsado y transporte, de tal manera que se consiga un proceso más limpio y veloz, por consiguiente la reducción de costos e incremento de producción, que permita competir en el mercado.
En las últimas décadas los manipuladores industriales reprogramables han tenido una gran acogida puesto que gracias a su funcionabilidad pueden realizar múltiples tareas sin agotarse, implicando un ahorro en tiempo y permitiendo realizar tareas con la mayor eficacia, por lo que la tesis tiene como finalidad crear un sistema robotizado de embolsado y transporte automatizado de cubos de en bolsas de 3,00 Kg mediante un manipulador robótico de 4 GDL, el cual permite realizar dichas tareas de forma automática en sustitución de un ser humano, demostrando así el impacto económico, la mejora en higiene y orden que BE FRESH E.I.R.L. necesita para elevar sus estándares en calidad.
2
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Problematización
BE FRESH E.I.R.L. es una empresa encargada de la fabricación, embolsado y distribución de hielo en cubos, en bolsas de 3.00 Kg para el consumo humano; ya que el proceso actualmente se realiza de manera convencional, con mano de obra humana, se busca realizar una secuencia de movimientos automatizados para cumplir dichas tareas con mayor eficiencia e higiene.
Uno de los procesos realizados por la empresa es el llenado de las bolsas de manera manual, es decir, el operario asignado se encarga, mediante una pala metálica, de recoger los cubos de hielo, de la misma manera, realiza el pesaje mediante una balanza electrónica hasta alcanzar un peso aproximado de 3.00 Kg.
Dentro de los problemas habituales que podemos encontrar en la empresa es que los cubos provenientes de las máquinas elaboradoras en su mayoría caen unidos en una especie de matriz, la cual debe separarse mediante pequeños golpes que realiza el operario, implicando mayor contacto con el exterior y mayor tiempo de producción.
Otro de los principales problemas es el tema de tiempos, puesto que el operario asignado debe esperar que la bandeja de cubos de hielo se llene a su capacidad máxima (250.00 Kg) para poder realizar un trabajo de embolsado, eso se debe a que la máquina genera solamente 18.00 Kg cubos de hielo (lo que ocupan 3 bolsas) por hora, lo que tardaría un aproximado de 14 horas en el llenado completo, generando tiempos muertos ya que tras la acumulación de hielo se debe detener la producción de la máquina el tiempo que tarde el operario en culminar su trabajo (4 horas aprox.) o en su defecto el 50% de él ya que la máquina puede seguir produciendo mientras se manipula, esto además genera una excesiva exposición al exterior debido a la superposición de horarios de funcionamiento que se debe de realizar para que las máquinas cubran la demanda de la empresa.
Finalmente debido a lo expuesto anteriormente como dato de la empresa se tiene que la máquina tiene una jornada 7/2, es decir se mantiene 7 horas en funcionamiento y 2 horas de descanso en lo que el operario logra embolsar el 50% del contenido total
3 del reservorio de cubos, por lo que considerando una jornada laboral de 8 horas, se deben realizar paradas aún mayores con lo que se tiene una pérdida total de 16 horas al día, lo que corresponde a 288 kg de hielo en cubos (96 Bolsas).
Con respecto a la calidad del producto final, si bien existen medidas de higiene dentro del área de trabajo, el contacto con el operario, el tiempo de exposición a medio ambiente y la transmisión de calor, implican que los cubos de hielo puedan contaminarse o perder su forma cubica característica de la marca. Cabe resaltar que el transporte de las bolsas de hielo al área de almacenaje se realiza de manera manual, y debido a la disposición de las áreas de trabajo el operario debe esperar a llenar cierta cantidad de bolsas para recién poder moverlas, lo que ocasiona los mismos problemas de calidad antes mencionados.
Finalmente, ¿Se requiere un sistema automatizado capaz de realizar las tareas de embolsado y transporte de hielo en cubos? La respuesta es que sí, ya que elevaría los estándares de producción de la empresa, eliminaría los tiempos muertos y le daría a la empresa mayor capacidad de ampliación.
1.1.1 Formulación del Problema general:
¿Cómo se podrá mejorar el proceso de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg, mediante el diseño de un sistema automatizado, para la empresa BE FRESH E.I.R.L.?
1.1.2 Formulación de los problemas específicos:
a. ¿Cómo se podrá realizar el diseño mecánico del sistema automatizado de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg?
b. ¿Cómo se podrá realizar el diseño de los circuitos eléctricos y electrónicos para el sistema de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg?
c. ¿Cómo se podrá programar el software de operación de la secuencia de movimientos del sistema de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg?
d. ¿Cómo se podrá diseñar el software de adquisición de datos y supervisión del empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg?
e. ¿Cómo se podrá realizar la implementación del sistema automatizado de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg?
4 1.2 Importancia y justificación de la Investigación
Importancia de la Investigación
A medida que transcurren los calurosos meses de verano, los productos de hielo envasados deben estar preparados para cubrir la gran demanda, por lo que las fábricas de hielo aumentan su producción, capacidad de almacenaje y hacen mejoras en el proceso de fabricación, ya sea, implementando o adquiriendo nuevos equipos.
El planteamiento de la presente tesis tiene un impacto directo en la empresa “BE FRESH E.I.R.L.”, así como para fábricas de cubos de hielo que utilizan en sus instalaciones equipos convencionales, mejorando su rentabilidad debido a la automatización de los procesos mencionados y el uso de tecnología para aumentar la producción diaria de bolsas de hielo. El operario asignado que antes realizaba su labor manualmente, es decir recogiendo el hielo mediante pequeñas palas de plástico, pasaría a ser reemplazado por un brazo robótico encargado de realizar estas y otras tareas en el tiempo adecuado, evitando los tiempos muertos y la acumulación de cubos de hielo en las bandejas colectoras. El operario pasaría a ser un profesional encargado de monitorear el proceso desde una zona segura, dicha persona designada podrá supervisar el buen funcionamiento del sistema, obteniendo un diagnostico que permitirá realizar el seguimiento de la máquina con el fin de realizar mejoras futuras de ser necesario.
Justificación de la Investigación
La justificación tecnológica, referente a la necesidad de la empresa BE FRESH E.I.R.L. de realizar una actualización en sus procesos de manera que las tareas antes realizadas manualmente, sean ahora realizadas de manera automatizada por un sistema capaz de lograrlas con éxito y además les permita un buen monitoreo de las mismas. La justificación económica, con respecto al beneficio del ahorro de tiempo, mientras que se eliminará casi de forma completa la mano de obra dentro del proceso previo a almacenaje y distribución, evitando que el hielo entre en contacto con el operario y el medio ambiente, resultando en un proceso más limpio y eficaz, con un producto final de mejor calidad. Finalmente, mediante la implementación de un prototipo a escala se demostrará la funcionabilidad del diseño propuesto, por lo que tendríamos un sistema de bajo costo para la industria convencional del hielo en cubos, de tal manera que se cubran las ventas en épocas de alta demanda.
5 1.3 Alcances y Limitaciones de la Investigación
Alcances de la Investigación
La presente tesis abarca el diseño de un sistema real de empaque de cubos de hielo en bolsas de 3.00 Kg y transporte de estas, mediante un brazo robótico de 4 GDL, el cual es operado mediante hardware Arduino, y supervisado mediante el software LabVIEW.
La empresa BE FRESH E.I.R.L donde se está realizando presente planteamiento, ha pronosticado una alta inversión para la realización del proyecto, por lo mismo que complica su implementación; sin embargo, a solicitud de los dueños y mediante una carta de autorización, mostrada en el Anexo 1, se vio viable la realización de un prototipo a escala con materiales de bajo costo que será sustentada por nosotros y que demostrará el correcto funcionamiento del diseño propuesto.
En las investigaciones ya realizadas se encontraron diferentes sistemas propuestos para la industria del hielo en cubos, sin embargo, pocas utilizan brazos robóticos para la tarea de embolsado, por lo que se busca demostrar el eficiente funcionamiento de un sistema de empaque utilizando dicho brazo robótico, proyectando su implementación futura en la industria convencional de cubos de hielo, a su vez se incluyó un sistema de seguridad para proteger al usuario de cualquier eventualidad.
Con respecto al transporte de las bolsas, se utiliza una faja transportadora, sobre la cual el brazo robótico sella las bolsas para ser enviadas al área de almacenaje, lo que evita mayor contacto o manipuleo por parte del brazo robótico.
Limitaciones de la Investigación
Cabe mencionar que la tesis abarca tanto el diseño del sistema propuesto como el diseño del prototipo a implementar, tanto de la etapa de embolsado como la de transporte, más no contempla la etapa de almacenaje posterior a esta, en la cual se requeriría de un operario para realizar dicha tarea. Así mismo, el prototipo escala no es probado con hielo directamente puesto que el material podría dañarse al no ser inoxidable, por lo que se trabaja con un material de formas similares que pruebe el correcto desplazamiento del hielo en el sistema.
Por otro lado, cabe mencionar si bien el prototipo busca demostrar la funcionabilidad del sistema propuesto y el brazo robótico utilizado presenta el mismo número de grados de libertad en ambos diseños, los diseños son completamente diferentes debido al movimiento que se debe lograr a escalas distintas con diferentes materiales.
6 A continuación, se muestra, en la figura 1, la industria convencional de cubos de hielo de acuerdo con las prácticas realizadas en BE FRESH E.I.R.L.
Figura 1. Industria convencional de hielo en cubos.
Fuente: Elaboración propia
1.4 Objetivos.
La presente tesis plantea los siguientes objetivos:
1.4.1 Objetivo General:
Diseñar e implementar un sistema automatizado de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3.00 Kg, utilizando un Brazo robótico de 4 grados de libertad, para la optimización del proceso de la empresa BE FRESH E.I.R.L.
1.4.2 Objetivos Específicos:
a. Diseñar la parte mecánica del sistema automatizado de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg.
b. Diseñar los circuitos eléctricos y electrónicos para el sistema automatizado de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg.
c. Programar el software de operación de la secuencia de movimientos del sistema de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg.
d. Diseñar el software de adquisición de datos y supervisión del empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg.
e. Implementar el sistema automatizado de empaque y transporte de cubos de hielo en bolsas de 3,00 Kg.
7 1.5 Estructura de la Tesis
La tesis se encuentra dividida en 5 capítulos, como se indica en esquemáticamente en la figura 2.
Figura 2. Estructura de la Tesis.
Fuente: Elaboración Propia.
CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL
PROBLEMA
• Problematización
• Importancia y Justificación de la investigación
• Alcances y Limitaciones de la Investigación
• Objetivos
• Estructura de la Tesis
• Antecedentes de la Investigación
• Óptica de la Investigación
• Metodología de estudio
• Bases teóricas
• Condiciones iniciales de diseño
• Diseño del sistema mecánico
• Diseño del sistema eléctrico y electrónico
• Diseño del sistema de supervisión (SCADA)
• Implementación del sistema mecánico
• Implementación del sistema eléctrico y electrónico
• Implementación del sistema de supervisión (SCADA) CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
CAPITULO 3 DISEÑO DEL SISTEMA
CAPITULO 4
IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA
CAPITULO 5 PRUEBAS Y RESULTADOS
CONCLUSIONES
OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS
ANEXOS
• Pruebas de funcionamiento
• Resultados
8 A continuación, se describe la composición de los cinco capítulos y un breve resumen de los mismos:
Capítulo 1. Planteamiento del Problema
En este capítulo se expone la formulación de los distintos problemas a los que se les busca dar solución, así mismo se presentan cada uno de los objetivos a alcanzar, finalmente se muestran los alcances y limitaciones de la presente tesis.
Capítulo 2. Marco teórico
En este capítulo se describen los antecedentes y conceptos teóricos que enmarcan nuestra investigación. Así como se hace referencia a las tecnologías utilizadas para el desarrollo del hardware y software del manipulador.
Capítulo 3. Diseño del sistema
Este capítulo describe el diseño tanto mecánico estructural de todo el sistema propuesto, así como el sistema eléctrico y electrónico necesario para su implementación. Se inicia con la descripción del sistema de dispensado, así como el diseño del manipulador y el sistema de transporte, incluyendo el sistema eléctrico, los sensores, actuadores y el software de operación de la secuencia de movimientos del sistema y supervisión que se utilizará.
Capítulo 4. Implementación
En este capítulo se detalla el diseño e implementación del prototipo Mecánico, eléctrico y electrónico de todos los sistemas y sub-sistemas propuestos, con lo cual se busca demostrar la funcionabilidad de nuestro diseño propuesto, así como la implementación del sistema de monitoreo en tiempo real (SCADA), basándose en la funcionabilidad del diseño realizado, integrándose los 3 subsistemas propuestos.
Capítulo 5. Pruebas y resultados
En este capítulo se describen todas las pruebas realizadas durante la realización de la tesis y los resultados obtenidos de dichas pruebas.
Conclusiones y Observaciones
En este apartado se presentarán las conclusiones y observaciones de la tesis.
9
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
2.1 Marco Histórico
Múltiples instituciones vienen desarrollando investigaciones afines a la tesis, de los cuales se pueden citar los siguientes:
2.1.1 Antecedentes Nacionales
• Nakamura, J. (2009), en su tesis para optar por el título de Licenciado en Ingeniería Electrónica, titulada: “Diseño e implementación de un brazo robot de dos grados de libertad para el trazado de diagramas en un plano”, Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú; concluye que:
El sistema de control empleado, a pesar de ser sencillo, es efectivo para esta aplicación y cumple los requerimientos del caso. Esto ha sido demostrado con las pruebas realizadas.
A partir de los resultados obtenidos se puede decir que el funcionamiento del sistema presenta errores debido a factores mecánicos que no habían sido considerados al momento del diseño Los circuitos electrónicos y los programas implementados para presente proyecto funcionan correctamente.
Para mejorar el desempeño del sistema se pueden escoger otro tipo de actuadores, aplicando técnicas de motores a pasos complejas, teniendo en cuenta el requerimiento de torque, ya que esta técnica disminuye el torque incremental entre cada micro-paso, también se puede lograr un mejor desempeño acoplando una caja reductora, lo que se reduce el paso angular y aumentando el torque, teniendo en cuenta que las dimensiones de la misma sean apropiadas.
• Chávez, J. (2014), en su tesis para optar por el título de Licenciado en Ingeniería Electrónica, titulada “Programación del sistema electrónico de un robot manipulador de cinco grados de libertad”, Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú; concluye que:
10 La interfaz de usuario respondió de forma eficaz ante las pruebas realizadas, manipulando la comunicación serial del computador, generando la trama solicitada y enviándola vía serial al microcontrolador maestro.
Se comprobó también que el microcontrolador maestro decepciona correctamente los datos ingresados y envía la respectiva trama a cada esclavo correspondiente.
A partir de la programación desarrollada de la interfaz y los microcontroladores (bajo el esquema Maestro-Esclavos), se llegó de forma eficaz a la posición angular de las articulaciones, solicitadas por el usuario. Se comprobó además que la información llega a los esclavos de forma exitosa; y, dado que la programación de cada esclavo es la misma, es posible afirmar que se cumplió con el objetivo principal.
• Luyo, C. (2015), en su tesis en su tesis para optar por el título de Licenciado en Ingeniería Electrónica, titulada “Diseño e implementación de un sistema de control e interfaz para un brazo robótico de 5 GDL”, Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú; concluye que:
El sistema tuvo éxito al ser implementado con los 4 microcontroladores esclavos siendo guiados por un microcontrolador maestro que a su vez es guiado por una interfaz gráfica que funciona con un generador de trayectorias basado en cinemática inversa o también en movimientos individuales.
El sistema de control desarrollado e implementado cubrió las expectativas a nivel de control angular en los 4 primeros motores montados en el brazo.
El sistema del brazo robótico es controlado completamente por una interfaz gráfica, la cual permitió no solo movimientos aislados de los 4 eslabones disponibles en la estructura sino también, realizar trayectorias, al definir el punto final donde debe llegar. Esta interfaz realizó una secuencia de interpolación de polos entre el punto inicial y final en combinación de cinemática inversa
11 2.1.2 Antecedentes Internacionales
• Hernández, C. (2007), en su tesis de Maestría en Ciencias, titulada “Diseño de un Sistema Emulando el Movimiento Articulado de una Mano, Brazo y Antebrazo”, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, México; concluye que:
Al realizar el análisis estructural estático en las partes críticas del hombro, codo y muñeca, se observa que los esfuerzos ejercidos sobre el material en los puntos críticos están por debajo del esfuerzo permitido, con lo cual se comprobó que el material seleccionado (aleación de aluminio 6061) es capaz de soportar las cargas aplicadas al brazo robótico y esto permitió bajar el peso del robot.
Con el modelo dinámico del robot, realizado por el método de Lagrange, se encontró el torque requerido que tenían que tener los actuadores en cada una de las articulaciones, esta cantidad de torque nos permitió seleccionar reductores armónicos debido a que estos tienen alto par de salida y se adecuan a sistemas antropomórficos debido a las dimensiones y peso.
La cinemática involucrada del sistema robótico se realizó la cinemática directa del brazo y mano antropomórfica, que sirve para posicionar el efector final, dados los parámetros de giro de las 7 articulaciones del robot.
• Alonzo, F. y Bravo, M. (2014), en su tesis para optar por el título de Ingeniero Electrónico, titulada “Diseño, construcción y control de un brazo robótico”, Universidad San Francisco de Quito, Ecuador; concluye que:
El sistema funciona de manera satisfactoria, alcanza las posiciones solicitadas con un error menor al 5% tolerable, el cual se debe más a problemas mecánicos que a problemas de programación.
En cuanto al sistema electrónico todo funciona de manera adecuada, el Arduino procesa de manera correcta tanto las señales inalámbricas como las enviadas manualmente, y trabaja muy bien con las alertas y los límites establecidos. Esto nos permite concluir que para esta clase de proyectos o sistemas el Arduino es una muy buena opción como sistema de control, cumple muy bien con lo solicitado y de manera eficaz.
12 Se cumplió con la implementación del control manual, y de los 2 tipos de control inalámbrico, y además se los logró de cierta forma unificar los códigos al separar los comandos en funciones para así no tener mucha redundancia y no ocupar mucha de la memoria del Arduino que puede causar ciertos problemas.
• Guilcaso, V. (2011), en su tesis para optar por el título de Ingeniero Electrónico, titulada “Diseño y construcción de un brazo robótico industrial comandado mediante un sistema de control inalámbrico”,Universidad Técnica de Ambato, Ecuador; concluye que:
Mediante la realización del diseño del brazo robótico se puede observar que el torque requerido por los motores es de 13Kg/cm para mover cada de las articulaciones siendo directamente proporcional al peso de las mismas; a más de ello con el fin de disminuir el peso de la estructura se utilizó como material de construcción el Aluminio que es más liviano que el acero.
El movimiento de cada articulación del brazo robótico depende de la pulsación del botón especificado en el control, los cuales están diferenciados por colores;
además cabe recalcar que cada el movimiento es mediante la activación de los micro relés, para hacerlo girar en un sentido u otro.
Se realizó la comunicación inalámbrica mediante la utilización de infrarrojo, el mismo que nos permitió manipular a cada servomotor trucado o a cada motor de corriente continua, de tal manera que realice el movimiento ordenado por la persona que controla su operación, sin que la señal sea interrumpida por el ruido existente en el ambiente.
13 2.2 Relación entre variables
Las variables correspondientes a la presente tesis, las cuales serán observadas y analizadas son:
• Variable W = Sistema de dispensado volumétrico Indicadores:
- Repetibilidad en el peso de las bolsas W1
- Capacidad de carga de la tolva de dispensado W2
• Variable X = Sistema de embolsado Indicadores:
- Cantidad de bolsas correctamente empacadas: X1
- Repetibilidad en la lectura de los sensores: X2
- Velocidad de procesamiento de bolsas de 3,00 Kg.: X3
• Variable Y = Sistema de transporte Indicadores:
- Velocidad de la faja transportadora: Y1
- Altura de la faja transportadora: Y2
- Capacidad de carga de la faja transportadora: Y3
• Variable Z = Sistema de supervisión Indicadores:
- Repetibilidad en la lectura de los sensores: Z1
- Velocidad de respuesta en tiempo real: Z2
14 2.3 Bases Teóricas
2.3.1 Manipuladores Robóticos Definición
Sánchez C. (2013) habla sobre robots industriales como dispositivos que se utilizan bajo control humano para manipular materiales sin contacto directo, tales como los materiales radiactivos, de compromiso biológico o en lugares inaccesibles. Entre los robots considerados de más utilidad en la actualidad se encuentran los robots industriales o manipuladores.
Según González V. (2004), indica que existen varias definiciones que aceptan un robot industrial como un brazo mecánico con capacidad de manipulación y que incorpora un control más o menos complejo:
Una de las definiciones y la más comúnmente aceptada es la de la Asociación de Industrias de Robótica (RIA, Robotic Industry Association), según la cual:
“Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas”
Por último, la Federación Internacional de Robótica (IFR, International Federation of Robotics) distingue entre robot industrial de manipulación y otros robots:
“Por robot industrial de manipulación se entiende una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento”
Estructura de los manipuladores
Barrientos (1997), señala que mecánicamente un manipulador robótico consta de una secuencia de elementos estructurales rígidos, denominados eslabones, conectados entre sí mediante articulaciones, como los mostrados en la figura 3, que permiten el movimiento relativo de cada dos eslabones consecutivos.
(p.16).
15
Figura 3. Elementos estructurales de un robot industrial
Fuente: González V. (2004), Tecnologías de la Información y de la Comunicación. INTEF, España.
Barrientos (1997), también señalan que según el movimiento de cada articulación existen diferentes tipos de manipuladores robóticos, tal cual muestra la figura 4.
(p.17)
Figura 4. Tipos de articulaciones de un robot Fuente: Barrientos (1997)
“El conjunto de eslabones y articulaciones se denomina cadena cinemática, cada eslabón se conecta mediante articulaciones exclusivamente al anterior y al siguiente, exceptuando el primero, que se suele fijar a un soporte, y el último, cuyo extremo final queda libre. A éste se puede conectar una herramienta especial que permite al robot de uso general realizar una aplicación particular, este punto es el
16 más significativo del elemento termina, tal como muestra la figura 5 y se denomina punto terminal (PT)”. (González, 2004).
Figura 5. Punto terminal de un manipulador
Fuente: González V. (2004), Tecnologías de la Información y de la Comunicación. INTEF, España.
Barrientos (1997), señalan que cada uno de los movimientos independientes que pueda realizar cada articulación del manipulador, se denomina grado de libertad (GDL). El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones, da lugar a diferentes configuraciones, con características a tener en cuenta tanto en el diseño como en la construcción. Las configuraciones más frecuentes se muestran en la figura 6. (p.18)
Figura 6. Configuraciones más frecuentes de los robots industriales Fuente: Barrientos (1997)
17
“A los manipuladores robóticos, se les suele denominar también brazos de robot por la analogía que se puede establecer, en muchos casos, con las extremidades superiores del cuerpo humano, así como se muestra en la figura 7”. (González, 2004).
Figura 7.Semejanza de un manipulador con el brazo humano Fuente: Robot Manipulador De 3 Grados De Libertad - https://rivasrobotics.com/
Según Gonzales V. (2004), los principales parámetros de análisis para los robots industriales o manipuladores robóticos son:
• Número de grados de libertad. Es el número total de grados de libertad de un robot.
• Espacio de accesibilidad o espacio (volumen) de trabajo. Es el conjunto de puntos del espacio accesibles al punto terminal (PT).
• Capacidad de posicionamiento del punto terminal. Se concreta en tres magnitudes fundamentales: resolución espacial, precisión y repetibilidad.
• Capacidad de carga. Es el peso que puede transportar el elemento terminal del manipulador.
• Velocidad. Es la máxima velocidad que alcanzan el PT y las articulaciones.
18 Componentes del manipulador
Barrientos (1997), indica que:
Existen elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores. Se incluyen junto con las transmisiones, los reductores encargados de adaptar la velocidad y el par de salida del actuador, hasta el resto del manipulador. (p.19)
a) Transmisiones
A continuación, la figura 8, muestra diferentes sistemas de transmisión para robots, clasificados en base al tipo de movimiento posible en la entrada o salida (Linear o circular) y algunas de sus ventajas y desventajas de algunos.
(Barrientos et al., 1997, p.20).
Figura 8. Sistemas de transmisión para robots.
Fuente: Barrientos (1997)
b) Reductores
Los reductores, por motivos de diseño, tienen una velocidad máxima de entrada admisible, que come regla general aumenta a medida que disminuye el tamaño del motor. También existe una limitación en cuanto al par de salida nominal permisible que depende del par de entrada y de la relación de transmisión a través de la ecuación 1. (Barrientos et al., 1997, p.22).
𝑇
2= 𝜂𝑇
1 𝑊1𝑊2
...
(1)19 Donde:
T1 = Par de entrada T2 = Par de salida
W1 = Transmisión de entrada W2 = Transmisión de salida ƞ = Rendimiento
c) Actuadores
Los actuadores utilizados en manipuladores robóticos pueden emplear energía neumática, hidráulica o eléctrica. Cada uno de esos sistemas presenta características diferentes, tal como muestra la figura 9, siendo preciso analizar a la hora de seleccionar el actuador más conveniente. (Barrientos et al., 1997, p.26)
Figura 9. Características de distintos tipos de actuadores Fuente: Barrientos (1997)
Dentro de los más usados en manipuladores robóticos tenemos a los actuadores eléctricos, debido a sus características de control, sencillez y precisión. Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes: (Barrientos et al., 1997, p.29)
- Motores de corriente continua (DC): Controlados por inducido y Controlados por excitación
- Motores de corriente alterna (AC):Síncronos y Asíncronos - Motores paso a paso
20 d) Sensores internos del robot
La información relacionada con su estado (fundamentalmente la posición de sus articulaciones) la consigue con los denominados sensores internos, cuyos tipos se muestran en la figura 10, mientras que la que se refiere al estado de su entorno, se adquiere con los sensores externos. (Barrientos et al., 1997, p.36).
Figura 10. Tipos de sensores internos de robots Fuente: Barrientos (1997)
e) Elementos terminales
En la elección o diseño de una pinza se han de tener en cuenta diversos factores.
Entre los que afectan al tipo de objeto y de manipulación a realizar destacan el peso, la forma, el tamaño del objeto y la fuerza que es necesario ejercer y mantener para sujetarlo. Entre los parámetros de la pinza cabe destacar su peso (que afecta a las inercias del robot), el equipo de accionamiento y la capacidad de control. A continuación, la figura 11 detalla dos tipos de pinzas utilizadas como herramientas terminales para robots. (Barrientos et al., 1997, p.44).
Figura 11. Pinza simple de impulsión directa – Pinza movida por cremallera – Pinza de actuador lineal Fuente: Barrientos (1997)
21 Herramientas matemáticas para la localización espacial.
Barrientos (1997), señala que:
Es necesario contar con una serie de herramientas matemáticas lo suficientemente potentes como para permitir obtener de forma sencilla relaciones espaciales entre distintos objetos y en especial entre estos y el manipulador. Una de ellas es la matriz de transformación homogénea, necesaria para la representación conjunta de posición y orientación, junto con sus propiedades y aplicaciones. (Barrientos et al., 1997, p.49)
Representación de la posición
Existen diferentes formas de representar la posición en el espacio, la más común es por medio de coordenadas cartesianas, pero existen además otros métodos como las coordenadas polares para planos y coordenadas cilíndricas y esféricas para el espacio tridimensional. (Barrientos et al., 1997, p.50)
Representación de la orientación
Para la representación de un punto es necesario solamente indicar sus tres coordenadas, para un cuerpo es necesario además indicar su orientación en el espacio, definida por la orientación de su extremo. (Barrientos et al., 1997, p.53)
Matrices de Rotación
Este es el método más extendido para la representación de orientaciones debido principalmente a la facilidad que representa el álgebra matricial. La matriz de rotación mostrada en la ecuación 2, define la orientación de un sistema de tres dimensiones OUVW con respecto al sistema OXYZ, y que transforma las coordenadas de un vector en un sistema a las del otro. (p.55)
𝐑 = |
𝑖
𝑥𝑖
𝑢𝑖
𝑥𝑗
𝑣𝑖
𝑥𝑘
𝑤𝑗
𝑦𝑖
𝑢𝑗
𝑦𝑗
𝑣𝑗
𝑦𝑘
𝑤𝑘
𝑧𝑖
𝑢𝑘
𝑧𝑗
𝑣𝑘
𝑧𝑘
𝑤|
... (2)“Las matrices de rotación pueden componerse para representar la aplicación continua de varias rotaciones. Por ejemplo, si se aplica al sistema OUVW una rotación de ángulo α sobre OX, seguida de una rotación de ángulo Ф sobre OY y
22 una rotación de ángulo θ sobre OZ, la rotación total podrá expresarse tal como indica la ecuación 3”. (F. Ramírez, 2012, Cap.3).
𝐑(𝐳, 𝚹)(𝐱, 𝛟)(𝐳, 𝛂) =
|
cosϴ −sin 𝛳 0 sin 𝛳 cosϴ 0
0 0 1
| |
cosϕ 0 sin 𝜙
0 1 0
−sin 𝜙 0 cos 𝜙
| |
1 0 0
0 cos 𝛼 − sin 𝛼 0 sin 𝛼 cos 𝛼
| ... (
3)
Matrices de Traslación
Supóngase un sistema O’UVW que se encuentra trasladado un vector 𝒑 = 𝒑𝒙𝒊 + 𝒑𝒚𝒋 + 𝒑𝒛𝒌 con respecto al sistema OXYZ. La matriz “T” de traslación está dada por la ecuación 4. (Barrientos et al., 1997, p.64)
𝑇(𝑃) = |
1 0 0 𝑃
𝑥0 0 0
1 0 𝑃
𝑦0 1 𝑃
𝑧0 0 1
|
... (4)Matrices de transformación homogénea
La matriz de transformación homogénea que representa la ecuación 5, es la matriz 4x4 que representa la transformación de un vector de coordenadas homogéneas de un sistema de coordenadas a otro, permite la representación conjunta de posición y orientación. (Barrientos et al., 1997, p.62)
𝑇 = | 𝑅
3𝑥3𝑝
3𝑥1𝑓
1𝑥3𝑤
1𝑥1| = [ 𝑅𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑇𝑟𝑎𝑠𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑃𝑒𝑟𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎𝑑𝑜 ]
.. (5)“En robótica la submatriz
f
1x3, que representa una transformación de perspectiva, es nula; y la submatrizw
1x1, que representa un escalado global, es la unidad, por lo que la ecuación 6, representa la orientación y posición de un sistema OUVW rotado y trasladado con respecto al sistema de referencia OXYZ”. (A. Jaramillo, 2005, Pag. 28).𝑇 = | 𝑅
3𝑥3𝑝
3𝑥10 1 | = [ 𝑅𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑇𝑟𝑎𝑠𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛
0 1 ]
... (6)23 Composición de matrices homogéneas
Una transformación compleja puede descomponerse en la aplicación consecutiva de transformaciones simples (giros básicos y traslaciones). Por ejemplo, una matriz que representa un giro de un ángulo α sobre OX, seguido de un giro Φ sobre OY y de un giro θ sobre OZ, puede obtenerse por la composición de las matrices básicas de rotación, tal como muestra La ecuación 7. (Barrientos et al., 1997, p. 76)
𝑇 = 𝑇(𝐳, 𝚹)(𝐱, 𝛟)(𝐳, 𝛂) =
|
cos 𝚹 −sin 𝚹 0 0 sin 𝚹
0 0
cos 𝚹 0 0
0 1 0
0 0 1
| |
cos 𝛟 0 sin 𝛟 0 0
−sin 𝛟 0
1 0 0
0 cos 𝛟 0
0 0 1
| |
1 0 0 0 0
0 0
cos 𝛂 −sin 𝛂 0 sin 𝛂 cos 𝛂 0
0 0 1
| =
|
cos 𝛟 cos 𝚹 − cos 𝛂 sin 𝚹 + sin 𝛟 cos 𝚹 sin 𝛂 sin 𝛂 sin 𝚹 + sin 𝛟 cos 𝚹 cos 𝛂 0 cos 𝛟 sin 𝚹
−sin 𝛟 0
cos 𝛂 cos 𝚹 + sin 𝛟 sin 𝚹 sin 𝛂 − sin 𝛂 cos 𝚹 + sin 𝛟 sin 𝚹 cos 𝛂 0
cos 𝛟 sin 𝛂 cos 𝛂 cos 𝛟 0
0 0 1
| ... (7)
Cinemática del Robot Barrientos (1997), señala que:
Existen dos problemas fundamentales a resolver en la cinemática del robot, tal como muestra la figura 12; el primero de ellos se conoce como el problema cinemático directo, y consiste en determinar cuál es la posición y orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas que se toma como referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot; el segundo, denominado problema cinemático inverso, resuelve la configuración que debe adoptar el robot para una posición y orientación del extrema conocidas.
Denavit y Hartenberg propusieron un método sistemático para describir y representar la geometría espacial de los elementos de una cadena cinemática, y en particular de un robot, con respecto a un sistema de referencia fijo, reduciéndose el problema cinemático directo a encontrar una matriz de transformación homogénea 4 x 4 que relacione la localización espacial del extremo del robot con respecto al sistema de coordenadas de su base.
24 Por otra parte, la cinemática del robot trata también de encontrar las relaciones entre las velocidades de movimiento de las articulaciones y las del extremo. Esta relación viene dada para el modelo diferencial expresado mediante la matriz Jacobiana.
(p.93)
Figura 12. Diagrama de relación entre cinemática directa e inversa Fuente: Barrientos et al.. (1997)
Cinemática Directa
El problema cinemático directo se reduce a encontrar una matriz homogénea de transformación T que relacione la posición y orientación del extremo del robot respecto del sistema de referencia fijo situado en la base del mismo. Esta matriz T será en función de las coordenadas articulares. (Barrientos et al., 1997, p.94)
Cinemática directa mediante matrices de transformación homogénea
En general, un robot de “n” grados de libertad está formado por “n” eslabones unidos por “n” articulaciones, de forma que cada par articulación-eslabón constituye un grado de libertad. A cada eslabón se le puede asociar un sistema de referencia solidario a él y, utilizando las transformaciones homogéneas, es posible representar las rotaciones y traslaciones relativas entre los distintos eslabones que componen el robot.
Normalmente, la matriz de transformación homogénea que representa la posición y orientación relativa entre los sistemas asociados a dos eslabones consecutivos del robot se suele denominar matriz i-1Ai. Cuando se consideran todos los grados de libertad, a la matriz i-1Ai, se le suele denominar T. Así, dado un robot de seis grados de libertad, se tiene que la posición y orientación del eslabón final estará dada por la matriz T, mostrada en la ecuación 8. (Barrientos et al., 1997, p.95)
T =
0A
6=
0A
1 1A
2 2A
33A
4 4A
5 5A
6 ... (8)25 Denavit-Hartenberg para la obtención del modelo cinemático directo
Según la representación de D-H, las transformaciones básicas consisten en una sucesión de rotaciones y traslaciones que permiten relacionar el sistema de referencia del elemento i con el sistema del elemento i-1. Las transformaciones en cuestión son las siguientes:
1. Rotación alrededor del eje Zi-1 un ángulo Ɵi.
2. Traslación a lo largo de Zi-1 una distancia di; vector di (0,0,di) 3. Traslaci6n a lo largo de Xi una distancia ai; vector ai, (0,0,ai).
4. Rotación alrededor del eje Xi un ángulo αi.
Dado que el producto de matrices no es conmutativo, las transformaciones se han de realizar en el orden indicado. De este modo se obtiene la matriz mostrada en la ecuación 9: (Barrientos et al., 1997, p.97)
𝐴
𝑖𝑖−1= [
𝐶𝜃
𝑖−𝐶𝛼
𝑖𝑆𝜃
𝑖𝑆𝛼
𝑖𝑆𝜃
𝑖𝑎
𝑖𝐶𝜃
𝑖𝑆𝜃
𝑖𝐶𝛼
𝑖𝐶𝜃
𝑖−𝑆𝛼
𝑖𝐶𝜃
𝑖𝑎
𝑖𝑆𝜃
𝑖0 𝑆𝛼
𝑖𝐶𝛼
𝑖𝑑
𝑖0 0 0 1
] ... (
9)Los cuatro parámetros de D-H (θi, di, ai, αi) dependen únicamente de las características geométricas de cada eslabón y de las articulaciones que le unen con el anterior y siguiente. En concreto estos representan:
θi, Es el ángulo que forman los ejes Xi y Xi-1 medido en un plano perpendicular al eje Zi-1, utilizando la regla de la mano derecha. Se trata de un parámetro variable en articulaciones giratorias.
di Es la distancia a lo largo del eje Zi-1, desde el origen del sistema de coordenadas (i-1)-èsimo hasta la intersección del eje Zi-1 con el eje Xi. Se trata de un parámetro variable en articulaciones prismáticas.
ai Es la distancia a lo largo del eje Xi que va desde la intersección del eje Zi-1 con el eje Xi hasta el origen del sistema i-èsimo, en el caso de articulaciones giratorias. En el caso de articulaciones prismáticas, se calcula como la distancia más corta entre los ejes Zi-1 y Zi.
αi Es el ángulo de separación del eje Zi-1 y el eje y Zi, medido en un plano perpendicular al eje Xi, utilizando la regla de la mano derecha.
![Iglesia Matriz Santiago Apóstol en Lunahuaná, valle de Cañete. Imagen: [Consulta: ]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)