Universidad Nacional de Trujillo
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Facultad de Ingeniería
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Escuela de Ingeniería Mecatrónica
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DISEÑO DE UN BRAZO ROBÓTICO DE 5 GRADOS DE LIBERTAD DISEÑO DE UN BRAZO ROBÓTICO DE 5 GRADOS DE LIBERTAD PARA LA GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS NECESARIAS PARA PARA LA GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS NECESARIAS PARA
EL TRASLADO DE OBJETOS. EL TRASLADO DE OBJETOS. PROYECTO DE TESIS PROYECTO DE TESIS Autor: Autor:
Barreto Vásquez, Maximino Víctor Barreto Vásquez, Maximino Víctor
Asesor: Asesor:
Gonzales Dávila, Luis Alexander Gonzales Dávila, Luis Alexander
1. DATOS GENERALES
1.1 TITULO TENTATIVO
DISEÑO DE UN BRAZO ROBÓTICO DE 5 GRADOS DE LIBERTAD Y DESARROLLO DE ALGORITMO PARA LA GENERACIÓN DE
TRAYECTORIAS NECESARIAS PARA EL TRASLADO DE OBJETOS. 1.2 AUTOR
Barreto Vásquez Víctor
1.3 LINEA DE INVESTIGACIÓN Robótica
1.4 TIPO DE INVESTIGACIÓN Investigación Aplicada
1.5 LUGAR DE INVESTIGACIÓN Trujillo-La Libertad- Perú
1.6 INSTITUCIÓN QUE INVESTIGA Universidad Nacional de Trujillo 1.7 DURACIÓN DEL PROYECTO
Fecha de Inicio: 15/11/2016 Fecha de Término: 30/05/2017
2. PLAN DE INVESTIGACIÓN
2.1 EL PROBLEMA
2.1.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA
En los últimos años la Robótica viene avanzado a pasos agigantados, los desarrollos llevados a cabo son cada vez más impresionantes en todos las áreas en la que ésta se divide, podemos dar cuenta de robots humanoides que son capaces de caminar por una cuerda, de trasladar objetos pesados, incluso de manejar una bicicleta. La robótica, conjugada con la visión e inteligencia artificial, el control y otras
ciencias involucradas, seguirán sorprendiéndonos con el paso del tiempo.
La robótica está cada vez más cerca de nosotros, en el ámbito industrial está siendo de mucha utilidad. Un ejemplo de ello es la inclusión de Brazos Robóticos o Robots Manipuladores en las plantas industriales, que realizan trabajos que pueden ser peligrosos, engorroso y cansados para el ser humano, como el caso del transporte de objetos pesados, manipulación de sustancias peligrosas, desarrollo de labores repetitivas.
Actualmente este tipo de Robots se han convertido en la parte más importante de los sistemas de Paletizado, convirtiéndolos en sistemas
más eficientes que permiten a las empresas registrar cifras de ahorro significativas. En el Perú, hoy en día, ya muchas empresas cuentan con esta tecnología.
Por ello, es importante que incursionemos en esta área y desarrollemos el marco teórico que nos permita entender el fundamento que está detrás del funcionamiento de los mencionados Robots manipuladores y estar preparados para tratar con ellos en nuestra vida profesional. 2.1.2 ANTECEDENTES
La Robótica es un área de mucho interés en el entorno científico y tecnológico, sobre todo al descubrirse el potencial que tenía en la industria, lo cual ha sido motivo de muchos desarrollos ya disponibles en el mercado y muchas publicaciones científicas e investigaciones. A continuación detallamos una serie antecedentes, empezando por el ámbito mundial, hasta llegar a los avances, aportes o investigaciones realizadas en nuestra región.
2.1.2.1 KUKA
“K UKA AG es una empresa presente a nivel internacional con un volumen de ventas de 3 mil millones de euros aproximadamente. Los cerca de 12.300 trabajadores de KUKA se encargan diariamente de que sigamos siendo uno de los líderes globales en
soluciones de automatización inteligentes, tanto en la sede de Augsburgo como en el resto del mundo. Nuestros clientes internacionales proceden, entre otras, de las industrias automovilística y general. En KUKA somos proveedores totales: ponemos a su disposición tanto componentes individuales como
instalaciones completamente automatizadas” [1].
Robots industriales de KUKA
En su página web [2], KUKA, nos menciona sus Manipuladores: “KUKA le ofrece una gama muy amplia de robots industriales. En KUKA encontrará el robot adecuado sin importar la exigencia de la tarea:
Robots de seis ejes en todas las dimensiones, con distintas capacidades de carga, de alcances y en las más diversas variantes
Robots ligeros preparados para el trabajo con humanos, para una directa colaboración entre personas y máquinas
Robots resistentes al calor y a la suciedad para entornos especialmente adversos
Robots industriales para salas blancas, para cumplir con las máximas exigencias de higiene
Robots pequeños con equipamiento Waterproof, adecuados para su uso en máquinas-herramienta
Robots pequeños equipados como "Hygienic Machine (HM)" para el contacto directo con alimentos y sustancias
farmacéuticas
Concatenadores de prensas con un alcance enorme para cargar y descargar piezas grandes en concatenaciones de prensas Robots de paletizado para tareas de manipulación de cualquier
tipo
Robots de soldadura orientados a la precisión y la máxima movilidad
Robots de alta precisión para una precisión máxima ”
Fig. 1 Gama de Robots Industriales KUKA
(Fuente: https://www.kuka.com/es-es/productos-servicios/sistemas-de-robot/robot-industrial)
2.1.2.2 UNIVERSAL ROBOTS
“Lo automatizamos prácticamente todo” [3], nos dice Universal Robots en la primera imagen que podemos observar en su página web.
“Cuando decimos que los robots de UR pueden automatizarlo prácticamente todo, queremos decir prácticamente todo: desde el montaje hasta la pintura, el atornillado y el etiquetado, pasando por el proceso de inyección en molde y soldadura, hasta el empaquetado y el pulido” [3], se menciona a continuación
“Los brazos robóticos de Universal Robots se integran fácilmente en los entornos de producción existentes. Con seis ejes y una gran flexibilidad, se han diseñado para imitar el rango de movimiento del brazo humano”. [4]
Fig. 2 Robots industriales de Universal Robots
2.1.2.3 Tesis “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBOT DE 6 GRADOS DE LIBERTAD CON FINES EDUCATIVOS PARA APLICACIONES EN NIVEL MEDIO SUPERIOR”.
“Este trabajo presenta el diseño y desarrollo de un brazo robot de 6
grados de libertad que será utilizado para difundir de una manera más abierta y fácil la cultura de la robótica en las aulas de los jóvenes estudiante que se interesan por la ingeniería, teniendo como bases la programación y la electrónica para ayudarnos a comprender el rol tan importante de la automatización de los procesos cotidianos en nuestros días y que en algún momento se aplicarán en los medios de transporte así como en nuestro hogar para orientarlos al mejoramiento de la
calidad de vida del ser humano.”
2.1.2.4 Tesis “DISEÑO DE UNA INTERFAZ DE USUARIO Y CONTROL CINEMÁTICO DE UN BRAZO DE 6 GRADOS DE
LIBERTAD PARA LA PLANIFICACIÓN DE
TRAYECTORIAS EN SOFTWARE MATLAB Y SIMULINK”
“En este proyecto de tesis se diseñó una interfaz de usuario con cinco
prácticas de cálculo cinemático para determinar los desplazamientos que debe tener un brazo robótico mediante interfaces gráficas de usuario realizadas en Matlab. Los movimientos del brazo robótico, la orientación, se basa en un conjunto de parámetros que se hallan por los ángulos de las articulaciones y la posición en el espacio, utilizando sistemas de referencia definidos. Estas trayectorias se generan como secuencia de configuraciones aproximadas, y el análisis del cálculo respectivo es complejo, tomando en cuenta esto, surge la necesidad de crear las interfaces como herramienta para el estudiante, con un br azo robótico de 6 grados de libertad y así crear otro método de enseñanza para mejorar el aprendizaje de los estudiantes en la materia de robótica, practicando la relación directa entre la robótica y las
2.1.3 ENUCIADO O ELABORACIÓN DEL PROBLEMA
¿Es posible desarrollar un algoritmo que nos permita realizar la generación de trayectorias para un Brazo Robótico de 5 grados de libertad y su simulación en Solidworks?
2.1.4 JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
El presente proyecto busca realizar una investigación que permita recopilar la información necesaria para sentar las bases teóricas que nos permitan entender el comportamiento de los Robots Manipuladores, y con ello poder desarrollar una aplicación tan importante y usada en la industria, como la generación de trayectorias. Esta investigación nos brinda los siguientes beneficios
- Nos presentará un marco teórico que recopilará información de distintas fuentes y aportes propios, referentes a los robots manipuladores, lo cual nos servirá para adentrarnos más en este tema
- Abordaremos un problema real de un brazo robótico con un diseño poco convencional, lo cual generará una dificultad que deberemos
solucionar utilizando con inteligencia los conceptos requeridos.
- Con los conocimientos adquiridos, estaremos más preparados para enfrentarnos a estos sistemas en nuestra vida profesional, ya que cada vez son más las empresas que cuentan con esta tecnología en sus plantas.
- Desarrollaremos además simulaciones en Solidworks, esta información puede servir para otras investigaciones que lo requieran.
- Desarrollaremos una comunicación entre MatLab y Solidworks, lo cual también puede ser un aporte importante.
2.2 OBJETIVOS
Desarrollar, un algoritmo que nos permita la generación de trayectorias para un brazo robótico de 5 grados de libertad para el traslado de
objetos y la simulación correspondiente en Solidworks. 2.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Desarrollar la representación mediante ejes de coordenadas del brazo robótico, además diseñar y ensamblar el brazo robótico en
Solidworks.
- Desarrollar la cinemática directa e inversa del sistema, asi como el algoritmo de generación de trayectorias para el brazo robotico de 5 grados de libertad considerado.
- Desarrollar la comunicación Matlab-Solidworks, para realizar la generación de trayectorias en tiempo real.
- Verificar el funcionamiento del algoritmo, utilizando la simulación. Corregir o mejorar, aspectos a considerar.
2.3 MARCO TEÓRICO
ROBOTICA Robots
Buena parte de las definiciones y clasificaciones de robots existentes responde al robot ampliamente utilizado hasta la fecha, el robot industrial, robot de producción o robot manipulador. Frente a esto, están también los robots especiales, también denominados, robots de servicio (Barrientos 1997), que en los últimos años están alcanzando un nivel de desarrollo importante, sin embargo el término robot generalmente hace referencia a los robots industriales.
Fu, Gonzales y Lee (1998) consideran que la definición más precisa de los robots industriales, es la dada por el Robot Institute of America: “un robot es un manipulador reprogramable multifuncional diseñado para mover materiales, piezas o dispositivos especializados, a través de movimientos programados variables para la realización de una diversidad de tareas” .
Saha (2010, p. 5), sin embargo, prefiere la definición brindada por la Organización Internacional para la Estandarización (ISO), que adopta la definición anterior, con una ligera modificación y nos dice: Un robot es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, a través de movimientos
variables programados, para el desempeño de tareas diversas.
“Existen otras definiciones dadas por otras asociaciones, como por ejemplo, el Robotics Institute of America (RIA), la Japan Industrial Robot Association (JIRA), la British Robot Association (BRA) y otras. Todas ellas coinciden en dos puntos: la capacidad de reprogramacióny la multifuncionalidad de los robots”, concluye Saha (2010, p. 5)
Para Barrientos (1997), debido a que las anteriores no contemplan el hecho de que el robot tenga varios grados de libertad, la definición más completa es la brindada por la Asociación Francesa de Normalización (AFNOR), que define primero el manipulador y luego, basándose en dicha definición, define el
robot:
Manipulador: mecanismo formado generalmente por los elementos en serie, articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo lógico.
Robot: es un manipulador automático servocontrolado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de precepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material.
Estructura Mecánica de un Robot
“Un robot está formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos
eslabones consecutivos. La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cuerpo, brazo, codo y muñeca”, menciona Barrientos (1997, p. 16)
Barrientos (1997) menciona también que el movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro o una combinación de ambos. Dando esto como resultado 6 tipos de articulaciones que se muestran en la Figura 3,
sin embargo, en la práctica, en los robots solo se emplean la de rotación y la prismática.
Fig. 3 Distintos tipos de articulaciones para robots (Fuente: Barrientos (1997, p. 17))
Grados de libertad
Son cada uno de los movimientos que una articulación puede realizar respecto de la otra. En la Figura 3 se indica el número de grados de libertad de cada tipo de articulación.
Grados de libertad de un robot
El número de grados de libertad de un robot viene dado por la suma de los grados de libertad de las articulaciones que lo componen. Puesto que, como
se ha indicado, las articulaciones empleadas son únicamente las de rotación y prismática con un solo GDL cada una, el número de grados de libertad suele
coincidir con el número de articulaciones de que se compone.
Descripción de posición y orientación
“En el estudio de la robótica nos preocupamos constantemente por la ubicación de los objetos en el espacio tridimensional. Para poder describir la posición y orientación de un cuerpo en el espacio, siempre adjuntamos rígidamente un sistema de coordenadas, o trama, al objeto. Después describimos la posición y orientación de esta trama con respecto a algún sistema de coordenadas de referencia ” Craig (2006, p. 4).
En la Figura 4 observamos cómo es que se adjunta un sistema de coordenadas o “trama” a algunas partes especiales del brazo robótico y a algunos objetos.
Fig. 4 Asignación de sistemas de coordenadas. (Fuente: Craig (2006, p. 4))
Cinemática directa de los Manipuladores
Craig (2006, pp. 5-6) menciona:
“El estudio de la cinemática de los manipuladores se refiere a todas las propiedades del movimiento, las geométricas y las basadas en tiempo.
“La cinemática directa es el problema geométrico estático de calcular la posición y orientación del efector final del manipulador. Específicamente, dado un conjunto de ángulos articulares, el problema de la cinemática directa
es calcular la posición y orientación de la trama de la herramienta relativa a la trama base”.
Cinemática inversa de los Manipuladores
Dada la posición y orientación del efector final del manipulador, calcule todos los conjuntos posibles de ángulos articulares que podrían utilizarse para obtener esta posición y orientación dadas.
Fig. 5 Ángulos articulares que determinan la posición y orientación que determina el sistema de coordenadas de la Herramienta
(Fuente: Craig (2006, p. 6))
Jacobiano
El Jacobiano especifica la asignación de las velocidades en espacio de articulaciones a las velocidades en espacio cartesiano. La naturaleza de esta asignación cambia a medida que varía la configuración del manipulador.
Fig. 6 El jacobiano puede describir la velocidad del efector final con respecto a las velocidades de las articulaciones
(Fuente: Craig (2006, p. 7))
Trayectoria
“Se refiere a un historial en el tiempo de la posición, la velocidad y la aceleración para cada grado de libertad” (Craig, 2006, p. 201)
Generación de Trayectorias
Es la manera exacta de contruir las funciones para cada articulación, de manera que el robot manipulador pueda realizar un movimiento según lo especificado por el usuario.
Fig, 7 Para que el efector final siga una trayectoria dada de un punto A a otro B, debemos calcular una trayectoria para cada articulación.
3. METODOLOGÍA 3.1 TIPO DE ESTUDIO Investigación Aplicada 3.2 DISEÑO DE INVESTIGACIÓN Cuasi - Experimental 3.3 HIPÓTESIS
Aplicando, mediante el método de Denavit-Hartenberg, la cinemática directa; la cinemática inversa, mediante el método de desacoplo cinemático y la generación de trayectorias, se podrá conseguir un algoritmo que realice el cálculo necesario para generar las trayectorias de un Brazo Robótico de 5 grados de libertad en tiempo real para el traslado de objetos. Además de la comprobación mediante la simulación en Solidworks
3.4 VARIABLES
3.4.1 Variables Independientes:
- Definir los valores de los Parámetros de Denavit-Hartenberg.
- Velocidades requeridas en la trayectoria.
- Ubicación y Orientación espacial inicial y final de la herramienta..
- “Puntos Vía”.
3.4.2 Variables Dependientes:
- Función de posición respecto del tiempo para cada articulación.
- Velocidad y aceleración de cada articulación durante la trayectoria.
- Tiempo requerido para el cálculo de la trayectoria.
3.4.3 Indicadores
Parámetros de Denavit-Hartenberg. Singularidades.
Funciones de posición, velocidad y aceleración de las articulaciones.
Error entre la posición deseada y la posición alcanzada de la herramienta.
Método de generación de trayectorias utilizado.
Tiempo requerido para el cálculo de la trayectoria.
3.5 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS, FUENTES E INFORMÁNTES
- Se utilizará el programa MATLAB, para realizar los cálculos necesarios y analizar el comportamiento del sistema.
- Se utilizará el programa SOLIDWORKS, para el diseño de las piezas, ensamblaje y simulación de movimiento del brazo robótico
- Se recurrirá a diferentes fuentes bibliográficas, libros, artículos,
publicaciones, etc. que cuenten con la información necesaria para realizar la investigación.
4. ADMINISTRACION DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN.
4.1 RECURSOS
4.1.1 HUMANOS
El autor del proyecto será el único participante en la realización de la investigación.
4.1.2 MATERIALES
Los materiales utilizados para la realización de este proyecto serán:
- Ordenador.
- Binliografía
4.2 PRESUPUESTO
ITEM CANTIDAD DESCRIPCIÓN P. UNIT TOTAL
1 1 Depreciación de Instrumentos y Equipos 800 800
2 1 Bibliografía 300 300
3 1 Viáticos 500 500
4 1 Gastos Varios (Impresiones, empastados, etc.) 300 300 TOTAL 1900 Tabla 1: Presupuesto
4.3 FINANCIAMIENTO
Los costos necesarios para la realización del proyecto serán asumidos por el Alumno.
4.4 CRONOGRAMA DE EJECUCIÓN
Act. Nombre de Actividad Fecha de
inicio Duración
Fecha de Término 1 Desarrollar la representación mediante
ejes de coordenadas del brazo robótico, además diseñar y ensamblar el brazo robótico en Solidworks.
30/01/2017 30 28/02/2017
2 Desarrollar la cinemática directa e inversa del sistema, asi como el
algoritmo de generación de trayectorias para el brazo robotico de 5 grados de libertad considerado.
01/03/2017 60 30/04/2017
3 Desarrollar la comunicación Matlab-Solidworks, para realizar la generación de trayectorias en tiempo real
30/04/2017 30 30/05/2017 4 Desarrollar la cinemática directa e
inversa del sistema, asi como el
algoritmo de generación de trayectorias para el brazo robotico de 5 grados de libertad considerado
30/05/2017 15 14/06/2017
5 Verificar el funcionamiento del algoritmo, utilizando la simulación. Corregir o mejorar, aspectos a considerar.
14/06/2017 1 15/06/2017
Tabla 2: Cronograma de Ejecución del Proyecto
Fig. 8: Diagrama de Gantt para la ejecución del Proyecto
15/01/17 16/03/17 15/05/17 14/07/17 1 2 3 4 5
4.5 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.
[1] KUKA. 2016. [Consulta: 20 octubre 2016]. Disponible en: https://www.kuka.com/es-es/acerca-de-kuka.
[2] KUKA. 2016. [Consulta: 20 octubre 2016]. Disponible en: https://www.kuka.com/es-mx/productos-servicios/sistemas-de-robot/robot-industrial.
[3] UNIVERSAL ROBOTS. 2016. [Consulta: 20 octubre 2016]. Disponible en: https://www.universal-robots.com/es/.
[4] UNIVERSAL ROBOTS. 2016. [Consulta: 20 octubre 2016]. Disponible en: https://www.universal-robots.com/es/productos/
[5] BARRIENTOS, Antonio [et al.]. Fundamentos de Robótica. 1a. ed. España: McGraw Hill, 1997.
[6] CRAIG, Jhon. Robótica. 3a. Ed. México: PERSON EDUACTION, 2006 [7] SAHA, Subir. Introducción a la robótica.
1a. Ed. México: McGraw
Hill, 2010.
[8] FU, K.S.; GONZALES, R. C. Y LEE, C. S. G. Robótica: Control, Detección, Visión e Inteligencia. McGraw Hill, 1998.
