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FASE 6 – PRESENTAR LA SOLUCIÓN AL PROBLEMA PLANTEADO

SELENE CAROLINA PEREIRA CÓDIGO: 1085251531

GRUPO: 299011_5 TUTOR: JUAN MANUEL GONZALEZ

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA PROGRAMA INGENIERÍA DE SISTEMAS ROBOTICA 2020

INTRODUCCION

Básicamente, la robótica se ocupa de todo lo concerniente a los robots, lo cual incluye el control de motores, mecanismos automáticos neumáticos, sensores, sistemas de cómputos, etc. Ahora los robots son ideales para trabajos que requieren movimientos repetitivos y precisos. Una ventaja para las empresas es que los humanos necesitan descansos, salarios, comida, dormir, y un área segura para trabajar, los robots no. La fatiga y aburrimiento de los humanos afectan directamente a la producción de una compañía, los robots nunca se aburren por lo tanto su trabajo va a ser el mismo toda la jornada de trabajo. El noventa por ciento de robots trabajan en fábricas, y más de la mitad hacen automóviles, las compañías de carros son tan altamente automatizadas que la mayoría de los humanos supervisan o mantienen los robots y otras máquinas.

1. Descripción del problema planteado

En una planta de reciclaje se clasifican residuos de forma manual, se han presentado varios accidentes con los operarios debido a la manipulación de materiales cortopunzantes y materiales con residuos químicos. Para mejorar la clasificación y mitigar los riesgos de accidentes de trabajo, se requiere diseñar un sistema robótico, que permita clasificar los materiales que se van transportando en una banda, la clasificación se realiza en función del tipo de material, definiendo para ello 5 grupos así: plástico, metal, vidrio, madera y papel, que deben ser retirados de la banda por el sistema robótico. Una vez clasificados los materiales, son empacados en cajas y colocados en otra banda transportadora para ser llevados a la bodega de almacenamiento de la empresa.

Figura 1. Sistema robot aplicado al reciclaje. Tomado https://www.residuosprofesional.com/investigadores-mexico-robots-reciclaje/

de

2. Causas y consecuencias del problema planteado Posibles problema

causas

del Consecuencias problema

Falta de algún dispositivo (robot, aparató) inteligente capaz de realizar dichas tareas de clasificación de residuos.

del Relación con presaberes del curso

Una consecuencia puede ser que trae peligros a las personas ya que esto se hace manualmente.

los

Morfología del robot Algoritmos Circuitos serie y circuitos paralelo Electrónica básica

Manualidad en la Errores en el momento de la Algoritmos y solución de clasificación de los residuos clasificación del tipo de ecuaciones residuo, generando mal gestión en los procesos subsiguientes.

3. Descripción de la solución al problema mediante el uso de un sistema robótico. Esta descripción debe contener: a. Elementos para usar en la construcción del sistema robótico: (Estructura mecánica, Sensores, Actuadores, Controladores) Programación: La capacidad de reprogramación del robot y su integración en un sistema, hacen que aquél sea el elemento ideal para un mejor funcionamiento y una precisión ideal en diferentes tareas, realizando un programa definido previamente desde un sistema de diseño asistido por computador (CAD). Capacidad de carga: A la hora de implementar un sistema automatizado con un robot es de importancia tener en cuenta el proceso exacto que va a ejecutar, para tener claro aspectos como las cargas que va a levantar, un buen robot debe soportar el doble de carga a la que va a estar expuesto en un proceso industrial esto evitara problemas en el mismo proceso y al no usar su máxima capacidad alargara su vida útil. Grados de libertad: Se piensa que el robot tenga diferentes grados de libertad para mejorar su rango de productividad en el proceso, más libertad implica piezas de diferentes tamaños y una mesa de trabajo más amplia. Interacción con el operario: Deberá tener una interfaz de operación fácil y amigable con el operador para evitar problemas durante el proceso y así mejorar los tiempos de mantenimiento. Zona de trabajo: La zona de trabajo se subdivide en áreas diferenciadas entre sí, por la accesibilidad específica del elemento terminal (aprehensor o herramienta), es diferente a la que permite orientarlo verticalmente o con el determinado ángulo de inclinación. También queda restringida la zona de trabajo por los límites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones. Actuadores: Al ser un robot hidráulico se diseñará formando un conjunto compacto en la central hidráulica, la cabina electrónica de control y el brazo del manipulador.

Articulaciones y eslabones: Permitirán las que permiten el movimiento relativo de los sucesivos eslabones. Serán un extremo de la cadena fijo (base ) y el otro libre, en el cual se sitúa el elemento de trabajo.

Solución en base al proyecto El brazo robótico que se diseñará tendrá una altura aproximada de 1.90 m. En esta dimensión serán divididos los eslabones garantizando su accionamiento junto a las articulaciones para lograr que realice el proceso requerido. Teniendo en cuenta que las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de libertad, definen la zona de trabajo del robot; para nuestro caso, el elemento manipulador corresponde a un brazo robótico cuyo efector final es una pinza neumática de sujeción de 3 dedos, y los grados de libertad GDL del sistema son seis, 3 para orientación y 3 para posición. A continuación, se presenta una aproximación al diseño real del robot, con el fin de visualizar el volumen o rango de trabajo, el cual fue determinado sobre un plano cartesiano, teniendo en cuenta que se requiere generar un movimiento circular con alcance aproximado de 717 mm. Se ha determinado que la capacidad de carga del robot sea 7 Kg. Según las especificaciones del proyecto, en cuanto a las medidas y cantidad de producto que se debe empacar y transportar, se considera suficiente capacidad para ejecutar dicho proceso. Para dimensionar el diseño del brazo robótico, a continuación, relaciono los estándares posibles en cuanto a medidas y capacidad de este: Para el diseño del robot, teniendo en cuenta que se planteó implementar su sistema de transmisión por medio de correa dentada, como actuador se empleará un motor paso a paso NEMA 14. Este tipo de motores van actuando rotativamente sobre una serie de electroimanes. Por cada impulso recibido, el rotor del motor gira un determinado número discreto de grados, lo cual los hace ideales para aplicarlos en brazos robóticos de tipo revolutas. Su principal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto, pueden girar además de forma continua, con velocidad variable, sincronizados entre sí, obedeciendo a secuencias complejas de funcionamiento. Son motores muy ligeros, fiables y fáciles de controlar. En cuanto a los sensores, emplearemos los siguientes: -

De contacto: Este tipo de sensores son dispositivos de contacto tales como micro interruptores. En la disposición más simple, un conmutador está situado en la

superficie interior de cada dedo de una mano de manipulación. Este tipo de detección es de utilidad para determinar si una pieza está presente entre los dedos, desplazando la mano sobre un objeto y estableciendo secuencialmente contacto con la superficie, también permite centrar la mano robótica sobre el objeto para su agarre y manipulación. El modelo que emplearemos es PR0815. -

De presión: Se utilizan para la retroalimentación mecánica de una mano y para controlar la fuerza de agarre. Proporciona, además, una indicación sensible de cuando la mano sujeta un objeto. El modelo que emplearemos es MPX2100.

-

Sensor de visión artificial: Para este proyecto se implementar el sensor de visión artificial Inspector (SENSOR INSPECTOR PIM60), ya que este nos permite: Posicionamiento, inspección y medición de alta velocidad, etc.

b. Modelo cinemático directo o inverso del sistema robótico, incluyendo el análisis matemático apoyado en las matrices de transformación.

Solución del modelo cinemático directo del robot

Como se muestra la representación simbólica del BRCD, sobre esta representación aparecen los 5 marcos de referencias necesarios para modelar el brazo. Note que el BRCD tiene cuatro grados de libertad, debido a sus cuatro articulaciones rotacionales y sus cinco eslabones, contando la base. Este manipulador se denomina angular o articulado y posee un

área de trabajo esférica. De acuerdo con el convenio DH los marcos de referencia se colocan considerando las siguientes pautas: 1.       Las articulaciones se enumeran desde i = 1 hasta n, siendo i, la i-ésima articulación. 2.       Los ejes zi se colocan a lo largo de la siguiente articulación i+1. 3.       Si zi y zi-1 se interceptan, el origen del marco xiyizi se sitúa en ese punto. Esto sucede tanto entre los marcos x0y0z0 y x1y1z1, como entre los marcos x2y2z2 y x3y3z3. 4.       El eje xi se toma a lo largo de la normal común entre los ejes zi y zi-1 con dirección desde la articulación ihacia i+1. 5.       El eje yi se toma de forma que se complete el marco. 6.       Para la base (marco x0y0z0) solo se especifica la dirección del eje z0 y se escoge x0 y y0 a conveniencia. 7.       Para el último eslabón no hay marco i+1. En general la articulación n es de rotación y el eje zn se escoge alineado con zn-1.

A partir de estos marcos de referencia se obtienen los cuatro parámetros del manipulador:       •   Largo del eslabón ai: distancia entre los ejes zi-1 y zi a lo largo del eje xi.       •   Distancia de articulación di: distancia entre los ejes xi-1 y xi a lo largo del eje zi-1.       •   Ángulo de articulación θi: rotación requerida del eje xi-1 sobre zi-1 para quedar paralelo a xi. Se usa la regla de la mano derecha para conocer el sentido.       •   Ángulo de torsión αi: rotación requerida del eje zi-1 sobre xi para quedar paralelo a zi. En la Tabla 1 se muestran los datos particulares del BRCD, se observan datos constantes que representan las dimensiones de los eslabones y los ángulos de torsión entre las articulaciones 1 y 2, y las articulaciones 3 y 4 respectivamente. Note que en cada fila de la tabla solo hay una variable, en este caso el ángulo de rotación de cada una de las articulaciones θi.

Figure 1 Revoluta Cadena Cinemática a. Abierta b. Cerrada Una vez que la PVE está en marcha se puede formular la siguiente hipótesis de validación: si se le ordena al BRCD que alcance una serie de posiciones dentro de su espacio de trabajo, y este logra llegar a las posiciones esperadas entonces el modelo se puede considerar adecuado. La hipótesis se comprueba mediante el experimento que se describe a continuación. Para analizar la posición que alcanza el PT con respecto al resultado del modelo, se calculan los errores cometidos [19]. Por definición si se mide una magnitud cuyo valor verdadero es Mv y cuyo valor medido es M, el error absoluto cometido es:

Por otro lado, el error relativo se define como:

Para realizar las mediciones se consideró una orientación de la muñeca fija y la pinza cerrada. También aparece la medición de cada una de las posiciones reales alcanzadas por el BRCD a partir de los resultados obtenidos por el modelo cinemático directo de posición. Para la primera medición el BRCD parte de su posición inicial, para el resto de las mediciones que se realizaron el punto de partida es la postura anterior. Además, se

presentan los errores absolutos cometidos con respecto a los ejes x, y, z. Los errores se calcularon considerando como valor verdadero los valores de posición que se obtuvieron aplicando el modelo cinemático inverso de posición. Varias mediciones tienen un error absoluto muy superior al error medio en los tres ejes de coordenadas. Para verificar estas mediciones se realiza un estudio de dispersión. La dispersión se produce cuando se obtienen valores diferentes en sucesivas tomas de datos. Lo habitual, para enfrentar este fenómeno, es realizar tres repeticiones de la medición y comprobar el valor de la dispersión, la cual se calcula como:

Para el análisis de la dispersión se consideraron las mediciones 5, 7, 12. En estas mediciones los errores absolutos superan o igualan, en los tres ejes, la media de los errores. Primero se hicieron tres repeticiones de estas mediciones, pero la dispersión calculada fue superior a 1mm, sensibilidad del aparato de medición (regla), por lo tanto, se procedió a incrementar el número de repeticiones a seis. También se observa que con seis repeticiones se logró alcanzar dispersiones entre un 2 y un 8% lo que se considera correcto para esta cantidad de repeticiones. En este caso el valor de la medición que se considera es la media aritmética de las seis mediciones tomadas. Utilizando el método del análisis de la dispersión se logró reducir el error absoluto de las mediciones. Durante este experimento se observó que los errores de medición, además de ser provocados por imprecisiones humanas, también se afectan por: la sensibilidad del instrumento de medición, errores estructurales del manipulador y la sensibilidad de los servomotores. Durante los experimentos y la calibración de los servomotores se observó que los servomotores tienen una sensibilidad de ±1°, lo cual equivale a 0.01745 radianes. Como error de la estructura mecánica del BRCD se observó que cuando las articulaciones se posicionan, el eslabón tres no permanece en la posición fijada, tienen un pequeño desplazamiento en el sentido negativo del eje z del marco de referencia base, producto del propio peso del eslabón. Para analizar el efecto de la sensibilidad de los servomotores sobre el error en la medición, se realiza una prueba donde se modifica el vector de coordenadas generalizadas q, teniendo en cuenta la sensibilidad de los servomotores. Esto implica: qM = q±1° Donde qM es el vector de coordenadas generalizadas modificado y q = [60° 30° 45°] es el valor escogido para la prueba.El valor verdadero del PT para q es Mv = [6.7466, 11.6854, 21.6707]. En la Tabla 5 se puede apreciar los errores absolutos de posición provocados por los servomotores.

Luego de este estudio podemos concluir que el efecto de la sensibilidad de los motores puede afectar entre 0.2 - 0.3 cm la posición del PT. Los experimentos realizados demuestran que el modelo cinemático de posición es válido pues las mediciones obtenidas con los ángulos sugeridos por el modelo, se aproximan a la posición esperada con un error absoluto promedio de 0.8 cm. Si se tiene en cuenta que el área de trabajo es una esfera de 27.5 cm, el error relativo respecto del área de trabajo es de 2.9%. Este resultado, según la opinión de los autores, es aceptable para la PVE empleada, que se basa en un manipulador experimental no profesional. Realizamos la matriz de s0 a s1 De s0 a s1 = la llamaremos matriz A1 A1= rotación de q1 alrededor de z * Traslación (l1, 0 ,0) A 1=z (q 1)∗T (l 1,0,0) c 1 −s 1 A 1= s 1 c 1 0 0 0 0

[

0 0 1 0

0 0 0 1

][

1 0 0 0

0 1 0 0

0 l1 c 1 −s 1 0 0 = s1 c1 1 0 0 0 0 1 0 0

Paso 2. Realizamos la matriz de s1 a s2 De s1 a s2 = la llamaremos matriz A2

][

0 l1c 1 0 l 1s1 1 0 0 1

]

A2= rotación de q2 alrededor de z * Traslación (l2, 0 ,0) rX A 2=z (q 2)∗T (l 2,0,0) rY El orden de las coordenadas será de este modo rZ 1 La matriz de transformación será: c 1s2 −s 1 s 2 A 2= s 1 c 2+ c 1 s 2 −s 1 s 2+c 1c 2 0 0 0 0

[

0 l1 c 1+l 2 c 12 c 12 −s 12 0 l1 s 1+l 2 s 12 = s 12 c 12 1 0 0 0 0 1 0 0

][

0 l 1 c 1+l 2 c 12 0 l1 s 1+l 2 s 12 1 0 0 1

]

Para nuestro caso en la gráfica robot manipulador de 6 grados de libertad: (Recordemos que todos los movimientos de rotación para este robot en particular se hacen sobre el eje z). Θ1=q1=45° L1= 1.4 Θ2=q2=15° L2= 1.4 Tenemos las matrices de rotación y posición: De s0 a s1 = la llamaremos matriz A1

Rotación cos θ 1 −senθ 1 A 01= senθ 1 cosθ 1 0 0 0 0

[

Posición o traslación 0 l1c 1 0 l 1s1 1 0 0 1

]

l1c1= valor del cateto (Cos. del Angulo)

Tenemos las matrices de rotación y la de posición: De s1 a s2 = la llamaremos matriz A2

cos θ 2 −senθ 2 A 12= senθ 2 cosθ 2 0 0 0 0

[

0 l2 c 2 0 l2 c 2 1 0 0 1

]

La transformación compuesta entre s0 y s2 A02=A01*A12, al multiplicar las matrices obtenemos A 02=

θ 2−senθ 1∗sen θ 2 [ senθ 1∗cos θ 2+¿coscosθθ 1∗cos 1 senθ 2¿ cos θ1∗cos θ 2−senθ 1∗sen θ 2

Expresamos coseno como c y seno como s para simplificar la matriz c 12 −s 12 A 02= s 12 c 12 0 0 0 0

[

0 l 1 c 1+l 2c 12 0 l 1 s 1+l 2 s 12 1 0 0 1

]

0 l 1 c 1+l 2c 12 0 l 1 s 1+l 2 s 12 1 0 0 1

]

Reemplazando c 12 −s 12 A 02= s 12 c 12 0 0 0 0

[

Hallando: (0,9899495)+(0.7) ¿ 1.69 Rotación Y (estos resultados se hallan igual que en el método inverso) Sen q 1∗Sen q 2=sen 45 ° sen 15 °=0.1830127019 cos q 1∗cos q 2=cos 45 ° cos 15 °=0.1830127019

Posición Y (l 1∗Sen q 1)+(l2∗Sen q 1∗Sen q 2) (1.4∗Sen 45 °)+(1.4∗Sen (45 ° +15 °))

−cosθ 1∗senθ 2−senθ 1∗cos θ 2 0

(0,9899)+(1,2125) ¿ 2.2 0.183 −0.183 0 1.69 A 02= 0.183 0.183 0 2.2 0 0 1 0 0 0 0 1

[

]

Simulación:

Valores Y 3

X, S2 2

q2

=15°

L2

1

S1

L1

q1 =45° 0

0

1

S0

2

3

4

c. Presupuesto aproximado requerido para la adquisición o construcción del sistema robótico que dé solución al problema planteado. Recurso

Descripción

Presupuesto

1. Equipo Humano 2. Equipos

y Medidor Analógico

Software

3. Viajes Salidas Campo 4. Materiales suministros

$ 2000000

Ingeniero Electrónico

y de

$ 100000

Brazo Robot con Mando

$ 2000000

Controlador

$ 550000

Banda transportadora

$ 1000000

Cajas de cartón seleccionadas

$ 400000

Vacaciones del personal y

$ 1500000

salidas de la empresa.

y Discos

duros,

teclados, $ 30000000

pantallas, baterías y memorias RAM.

TOTAL

$ 37550000

4. URL video del programa que simule los movimientos y tareas del sistema robótico dando solución al problema planteado (Vídeo generado en la Fase 4). https://youtu.be/3iLRttycxCw 5. Conclusiones y/o recomendaciones

-

Después de realizar este trabajo se logró dar solución al problema planteado mediante la implementación del robot que satisface las necesidades de la empresa.

-

Se utilizo la robótica como medio de automatización esto con el fin de adquirir conocimiento en el campo y la automatización de los procesos.

-

Se adquirieron y reforzaron las bases suficientes para analizar problemáticas que se puedan presentar en el campo o entorno laboral y darle la solución fácil, segura y adecuada.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Barrientos, A., Peñin, L. F., Balaguer, C., &Aracil, R. (2007). Fundamentos de robótica . Segunda Edición. Pag 1 a 63. McGraw-Hill, Interamericana de España. Recuperado de http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/reader.action?docID=10566097

Saha, S. K. (2000). Introducción a la Robótica. McGraw-Hill Interamericana. Pags 52 a 75. Recuperado de http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/reader.action? docID=10515179

Vargas, S. (2017). Morfología http://hdl.handle.net/10596/12432

Vargas, S. (2018). Sensores http://hdl.handle.net/10596/22207

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Robótica.

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