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SEP

SNTEST

DGEST

INSTITUTO TECNOLGICO DE TOLUCADEPTO. DE METALMECANICA

INGENIERA EN MECATRNICA

SEMINARIO DE MECATRNICA

AVANCE DE PROYECTO CONSTRUCCIN DE UN BRAZO ROBTICO

PRESENTA: RODRIGUEZ MENDEZ JUAN CARLOS SEGURA DE JESUS YARA

PROFESOR: ING. MARGARITO LUNA MEJIA

METEPEC, ESTADO DE MXICO 1 DE JUNIO DEL 2011.

OBJETIVO: Disear el prototipo de un brazo mecnico que facilite el trabajo del hombre. Utilizar la plataforma electrnica arduino para controlar los movimientos del brazo mecnico.

JUSTIFICACIN: Siendo conocedores de la realidad actual de la Especialidad de Mecnica de Produccin, y al no poder contar con las mquinas y herramientas, optamos en construir un Brazo robtico como proyecto para el curso (Seminario de Mecatrnica) que permitir desarrollar la creatividad y experiencia en cuanto al desarrollo de habilidades y destreza; as mismo sirve de gua para la elaboracin de una tesis que nos pueda permitir la titulacin al culmino de la carrera.

INTRODUCCIN: En este documento se presenta el proyecto tcnico del brazo robot que estamos construyendo. La fase de diseo est en proceso, y la fase de ejecucin la planeamos realizar mediante una plataforma electrnica arduino que posteriormente estaremos realizando as como podemos controlarlo con un PIC mediante seales de la salida de un tren de pulsos de un circuito 555.

En este proyecto pretendemos disear un prototipo de ayuda tcnica, que sean de utilidad para el ser humano ya que uno de nuestros objetivos bsicos, es la construir de un brazo robtico controlado por servomotores primero es necesario: un cuerpo fsico (ingeniera mecnica), un microprocesador que controle el robot (ingeniera de control e informtica) nosotros optamos por controlarlo por una plataforma electrnica arduino, varios sensores que detecten el entorno (ingeniera electrnica), motores para actuar (ingeniera de control y elctrica en nuestro caso nuestro brazo funcionara con servomotores, y todo este conjunto tendremos que aplicarlo.

El proyecto consiste en realizar un brazo- dispositivo capaz de capturar y colocar cajas o cualquier otro objeto en un sitio predefinido. Tambin debe contar con una terminal capaz de soportar peso y sujetar las cajas sin daarlas.

ANTECEDENTES La necesidad de aumentar la productividad y conseguir productos acabados de una calidad uniforme, est haciendo que la industria gire cada vez ms hacia una automatizacin basada en el ordenador. En el momento actual, la mayora de las tareas de fabricacin automatizadas se realizan mediante mquinas de uso especial diseadas para realizar funciones predeterminadas en un proceso de manufacturacin. La inflexibilidad y generalmente el alto coste de estas mquinas, a menudo llamadas sistemas de automatizacin duros, han llevado a un inters creciente en el uso de robots capaces de efectuar una variedad de funciones de fabricacin en un entorno de trabajo ms flexible y a un menor coste de produccin. La palabra robot proviene de la palabra checa robota, que significa trabajo. El diccionario Webster define a robot como un dispositivo automtico que efecta funciones ordinariamente asignadas a los seres humanos. Con esta definicin, se pueden considerar que las lavadoras son robots. Una definicin utilizada por el Robot Institute of America da una descripcin ms precisa de los robots industriales: Un robot es un manipulador reprogramable multifuncional diseado para mover materiales, piezas o dispositivos especializados, a travs de movimientos programados variables para la realizacin de una diversidad de tareas. En suma, un robot es un manipulador reprogramable de uso general con sensores externos que pueden efectuar diferentes tareas de montaje. Con esta definicin, un robot debe poseer cierta inteligencia que se debe normalmente a los algoritmos de computacin asociados con su sistema de control y sensorial. Un robot industrial es un manipulador de uso general controlado por ordenador que consiste en algunos elementos rgidos conectados en serie mediante articulaciones prismticas o de revolucin. El final de la cadena est fijo a una base soporte, mientras el otro extremo est libre y equipado con una herramienta para manipular objetos o realizar cadenas de montaje. El movimiento de las articulaciones resulta en, o produce, un movimiento relativo de los distintos elementos. Mecnicamente, un robot se compone de un brazo y una mueca ms una herramienta. Se disea para alcanzar una pieza de trabajo localizada dentro de su volumen de trabajo. El volumen de trabajo es la esfera de influencia de un robot cuyo brazo puede colocar el submontaje de la mueca en cualquier punto dentro de la esfera. El brazo generalmente se puede mover con tres grados de libertad. La combinacin de estos movimientos orienta la pieza de acuerdo a la configuracin del objeto para facilitar su recogida. Estos tres ltimos movimientos se denominan a menudo elevacin (pitch), desviacin (yaw) y giro (roll). Por tanto

para un robot con seis articulaciones, el brazo es el mecanismo de posicionamiento, mientras que la mueca es el mecanismo de orientacin. Muchos robots industriales, que estn disponibles comercialmente, se utilizan ampliamente en tareas de fabricacin y de ensamblaje, tales como manejo de material, soldaduras por arco y de punto, montajes de piezas, pintura, carga y descarga de mquinas controladas numricamente, exploraciones espaciales y submarinas, investigacin de brazos protsicos y en el manejo de materiales peligrosos. Estos robots caen en una de las tres categoras que definen movimientos bsicos: Coordenadas cartesianas (tres ejes lineales) (ejemplo: robot RS-1 de IBM y robot Sigma de Olivetti). Coordenadas cilndricas (dos ejes lineales y uno rotacional) (ejemplo: robot Versatran 600 de Prab). Coordenadas esfricas (un eje lineal y dos rotacionales) (ejemplo: Unimate 2000B de Unimation Inc.). La mayora de los robots industriales de hoy en da, aunque estn controlados por mini y microcoordenadores, son bsicamente simples mquinas posicionales. Ejecutan una tarea dada mediante la grabacin de secuencias preregistradas o preprogramadas de movimientos que han sido previamente guiadas o enseadas por el usuario con un control de mando porttil. Ms an, estos robots estn equipados con pocos o ningn sensor externo para obtener la informacin vital en su entorno de trabajo. Como resultado de esto, los robots se utilizan principalmente en tareas repetitivas relativamente simples. Se est dedicando un gran esfuerzo de investigacin para mejorar el rendimiento global de los sistemas manipuladores.

DESARROLLO HISTORICO La palabra robot se introdujo en la escuela inglesa en 1921 con el drama satrico R.U.R. de Karel Capek (Rossum Universal Robots). En este trabajo, los robots son mquinas que se asemejan a los seres humanos, pero que trabajan sin descanso. Inicialmente, los robots se fabricaron como ayudas para sustituir a los operarios humanos, pero posteriormente los robots se vuelven contra sus creadores, aniquilando a toda la raza humana. La obra de Capek es en gran medida responsable de algunas de las creencias mantenidas popularmente acerca de los mismos en nuestro tiempo, incluyendo la perfeccin de los robots como mquinas humanoides dotadas con inteligencia y personalidades individuales. Esa imagen se reforz en la pelcula alemana de robots Metropolis, de 1926, con el robot andador elctrico y su perro Sparko, representada en 1939 en la Feria Mundial de Nueva York, y ms recientemente por el robot C3PO, protagonista en la pelcula de 1977, La Guerra de las Galaxias. Ciertamente los robots industriales modernos parecen primitivos cuando se comparan con las expectativas creadas por los medios de comunicacin durante las pasadas dcadas. Los primeros trabajos que condujeron a los robots industriales de hoy en da se remontan al perodo que sigui inmediatamente a la Segunda Guerra Mundial. Durante los aos finales de la dcada de los cuarenta, comenzaron programas de investigacin en Oak Ridge y Argonne National Laboratories para desarrollar manipuladores mecnicos controlados de forma remota para manejar materiales radiactivos. Estos sistemas eran del tipo maestro-esclavo, diseados para reproducir fielmente los movimientos de mano y brazos realizados por un operario humano. El manipulador maestro era guiado por el usuario a travs de una secuencia de movimientos, mientras que el manipulador esclavo duplicaba a la unidad maestra tan fidedignamente tal como le era posible. Posteriormente se aadi la realimentacin de la fuerza acoplado mecnicamente el movimiento de las unidades maestro y esclavo de forma que el operador poda sentir las fuerzas que se desarrollaban entre el manipulador esclavo y su entorno. A mediados de los aos cincuenta, el acoplo mecnico se sustituy por sistemas elctricos e hidrulicos en manipuladores tales como el Handyman de General Electric y el Minotaur I construido por General Mills. El trabajo sobre manipuladores maestroesclavo fue seguido rpidamente por sistemas ms sofisticados capaces de operaciones repetitivas autnomas. A mediados de los aos cincuenta, George C. Devol desarroll un dispositivo que l llam dispositivo de transferencia articulada, un manipulador cuya operacin poda ser programada (y, por tanto cambiada) y que poda seguir una secuencia de pasos de movimientos determinados por las instrucciones en el programa.

Posteriores desarrollos de este concepto por Devol y Joseph F. Engelberger condujo al primer robot industrial, introducido por Unimation Inc. en 1958. La clave de este dispositivo era el uso de un ordenador en conjuncin con un manipulador para producir una mquina que poda ser enseada para realizar una variedad de tareas de forma automtica. Al contrario que las mquinas de automatizacin de uso dedicado, estos robots se podan reprogramar y cambiar de herramienta a un coste relativamente bajo para efectuar otros trabajos cuando cambiaban los requisitos de fabricacin. Aunque los robots programados ofrecan una herramienta de fabricacin nueva y potente, se hizo patente en los aos sesenta que la flexibilidad de estas mquinas se poda mejorar significativamente mediante el uso de una realimentacin sensorial. Al comienzo de esa dcada, H.A.Ernst public el desarrollo de una mano mecnica controlada por ordenador con sensores tctiles. Este dispositivo, llamado el MH-1, poda sentir bloques y usar esta informacin para controlar la mano de manera que apilaba los bloques sin la ayuda de un operario. Este trabajo es uno de los primeros ejemplos de un robot capaz de conducta adaptativa en un entorno razonablemente no estructurado. El sistema manipulativo consista en un manipulador ANL, modelo 8, con seis grados de libertad, controlado por una ordenador TX-O mediante un dispositivo de interfase. Este programa de investigacin posteriormente evolucion como parte del proyecto MAC, y se le aadi una cmara de televisin para comenzar la investigacin sobre la percepcin en la mquina. Durante el mismo perodo Tomovic y Boni desarrollaron una mano prototipo provista con un sensor de presin que detectaba el objeto y proporcionaba una seal de realimentacin de entrada a un motor para iniciar uno de los modelos de aprehensin. Una vez que la mano estaba en contacto con el objeto, se enviaba a una ordenadorinformacin proporcional a su tamao y peso mediante estos elementos sensibles a la presin. En 1963, la American Machine y Foundry Company (AMF) introdujo el robot comercial VERSATRAN. Comenzando en este mismo ao, se desarrollaron diversos diseos para manipuladores, tales como el brazo Roehampton y el Edinburgh. A finales de los aos sesenta, McCarthy y su colegas en el Stanford Artificial Intelligence Laboratory publicaron el desarrollo de un ordenador con manos, ojos y odos (es decir, manipuladores, cmaras de TV y micrfonos). Demostraron un sistema que reconoca mensajes hablados, vea bloques distribuidos sobre una mesa y los manipulaba de acuerdo con instrucciones. Durante este perodo, Pieper estudi el problema cinemtico de un manipulador controlado por ordenador, mientras que Kahn y Roth [1971] analizaban la dinmica y el control de un brazo restringido utilizando control bangbang (casi de tiempo mnimo).

Mientas tanto, otros pases (en particular Japn) comenzaron a ver el potencial de los robots industriales. Ya en 1968, la compaa japonesa Kawasaki Heavy Industries negoci una licencia con Unimation para sus robots. Uno de los desarrollos ms poco usuales en robots sucedi en 1969, cuando se desarroll un camin experimental por la General Electric para la Armada Americana. En el mismo ao se desarroll el brazo Boston y al ao siguiente el brazo Stanford, que estaba equipado con una cmara y controlado por ordenador. Algunos de los trabajos ms serios en robtica comenzaron cuando estos brazos se utilizaron como robots manipuladores. Un experimento en el brazo Stanford consista en apilar automticamente bloques de acuerdo con diversas estrategias. Esto era un trabajo muy sofisticado para un robot automatizado de esa poca. En 1974, Cincinnati Milacron introdujo su primer robot industrial controlado por ordenador. Lo llam The Tomorrow Tool (la herramienta del maana) o T3, que poda levantar ms de 45 kg as como seguir a objetos mviles en una lnea de montaje. Durante los aos setenta se centr un gran esfuerzo de investigacin sobre el uso de sensores externos para facilitar las operaciones manipulativas. En Stanford, Bolles y Paul, utilizando realimentacin tanto visual como de fuerza, demostraron que un brazo Stanford controlado por ordenador, conectado a un Digital PDP-10, efectuaba el montaje de bombas de agua de automvil. Haca la misma poca, Will y Grossman en IBM desarrollaron un manipulador controlado por ordenador con sensores de contacto y fuerza para realizar montajes mecnicos en una mquina de escribir de veinte piezas. Inoue, en el Artificial Intelligence Laboratory del MIT, trabaj sobre los aspectos de inteligencia artificial de la realimentacin de fuerzas. Se utiliz una tcnica de bsqueda de aterrizajes, propia de la navegacin area, para realizar el posicionado inicial de una tarea de montaje precisa. En el Draper Laboratory, Nevins y colaboradores investigaron tcnicas sensoriales basadas en el control coordinado de fuerza y posicin. Este trabajo desarroll la instrumentacin de un dispositivo remote center compliance (RCC) (centro remoto de control coordinado de fuerza y posicin) que se uni a la placa de montaje de la ltima articulacin del manipulador para cerrar el conjunto de coincidencias de piezas. Bejczy, en el Jet Propulsion Laboratory, desarroll una tcnica de control de par basada en ordenadorsobre su brazo Stanford ampliado para proyectos de exploracin espacial. Desde entonces han sido propuestos diversos mtodos para manipuladores mecnicos. Hoy da vemos la robtica como un campo de trabajo mucho ms amplio que el que tenamos simplemente hace unos pocos aos, tratando con investigacin y desarrollo en una serie de reas interdisciplinarias, que incluyen cinemtica, dinmica, planificacin de sistemas, control, sensores, lenguajes de programacin e inteligencia de mquina.

CINEMATICA Y DINAMICA DEL BRAZO DEL ROBOT La cinemtica del brazo del robot trata con el estudio analtico de la geometra del movimiento de un brazo de robot con respecto a un sistema de coordenadas de referencia fijo sin considerar las fuerzas o momentos que originan el movimiento. As, la cinemtica se interesa por la descripcin analtica del desplazamiento espacial del robot como una funcin del tiempo, en particular de las relaciones entre la posicin de las variables de articulacin y la posicin y orientacin del efecto final del brazo del robot. Hay dos problemas fundamentales en la cinemtica del robot. El primer problema se suele conocer como el problema cinemtico directo, mientras que el segundo es el problema cinemtico inverso. Como las variables independientes en un robot son las variables de articulacin, y una tarea se suele dar en trminos del sistema de coordenadas de referencia, se utiliza de manera ms frecuente el problema cinemtico inverso. Denavit y Hartenberg en 1955 propusieron un enfoque sistemtico y generalizado de utilizar lgebra matricial para describir y representar la geometra espacial de los elementos del brazo del robot con respecto a un sistema de referencia fijo. Este mtodo utiliza una matriz de transformacin homognea 4 x 4 para describir la relacin espacial entre dos elementos mecnicos rgidos adyacentes y reduce el problema cinemtico directo a encontrar una matriz de transformacin homognea 4 x 4 que relaciona el desplazamiento espacial del sistema de coordenadas de la mano al sistema de coordenadas de referencia. Estas matrices de transformacin homogneas son tambin tiles en derivar las ecuaciones dinmicas de movimiento del brazo del robot. En general, el problema cinemtico inverso se puede resolver mediante algunas tcnicas. Los mtodos utilizados ms comnmente son el algebraico matricial, iterativo o geomtrico. La dinmica del robot, por otra parte, trata con la formulacin matemtica de las ecuaciones del movimiento de un manipulador son un conjunto de ecuaciones matemticas que describen la conducta dinmica del manipulador. Tales ecuaciones de movimiento son tiles para simulacin en ordenador del movimiento del brazo, el diseo de ecuaciones de control apropiadas para el robot y la evaluacin del diseo y estructura cinemtica del robot. El modelo dinmico real de un brazo se puede obtener de leyes fsicas conocidas tales como las leyes de Newton y la mecnica lagrangiana. Esto conduce al desarrollo de las ecuaciones dinmicas de movimiento para las distintas articulaciones del manipulador en trminos de los parmetros geomtricos e inerciales especificados para los distintos elementos. Se pueden aplicar sistemticamente enfoques convencionales como las formulaciones de Lagrange-Euler y de Newton-Euler

para desarrollar las ecuaciones de movimientos del robot. La cinemtica del brazo del robot trata con el estudio analtico de la geometra del movimiento de un brazo de robot con respecto a un sistema de coordenadas de referencia fijo sin considerar las fuerzas o momentos que originan el movimiento. As, la cinemtica se interesa por la descripcin analtica del desplazamiento espacial del robot como una funcin del tiempo, en particular de las relaciones entre la posicin de las variables de articulacin y la posicin y orientacin del efecto final del brazo del robot. Hay dos problemas fundamentales en la cinemtica del robot. El primer problema se suele conocer como el problema cinemtico directo, mientras que el segundo es el problema cinemtico inverso. Como las variables independientes en un robot son las variables de articulacin, y una tarea se suele dar en trminos del sistema de coordenadas de referencia, se utiliza de manera ms frecuente el problema cinemtico inverso. Denavit y Hartenberg en 1955 propusieron un enfoque sistemtico y generalizado de utilizar lgebra matricial para describir y representar la geometra espacial de los elementos del brazo del robot con respecto la un sistema de referencia fijo. Este mtodo utiliza una matriz de transformacin homognea 4 x 4 para describir la relacin espacial entre dos elementos mecnicos rgidos adyacentes y reduce el problema cinemtico directo a encontrar una matriz de transformacin homognea 4 x 4 que relaciona el desplazamiento espacial del sistema de coordenadas de la mano al sistema de coordenadas de referencia. Estas matrices de transformacin homogneas son tambin tiles en derivar las ecuaciones dinmicas de movimiento del brazo del robot. En general, el problema cinemtico inverso se puede resolver mediante algunas tcnicas. Los mtodos utilizados ms comnmente son el algebraico matricial, iterativo o geomtrico.

PLANIFICACIN DE LA TRAYECTORIA Y CONTROL DEL MOVIMIENTO DEL MANIPULADOR Con el conocimiento de la cinemtica y la dinmica de un manipulador con elementos series, sera interesante mover los actuadores de sus articulaciones para cumplir una tarea deseada controlando al manipulador para que siga un camino previsto. Antes de mover el brazo, es de inters saber si hay algn obstculo presente en la trayectoria que el robot tiene que atravesar (ligaduras de obstculos) y si la mano del manipulador necesita viajar a lo largo de una trayectoria especificada (ligaduras de trayectoria). El problema del control de un manipulador se puede dividir convenientemente en dos subproblemas coherentes:

el subproblema de planificacin de movimiento (o trayectoria) y el subproblema de control del movimiento. La curva espacial que la mano del manipulador sigue desde una localizacin inicial (posicin y orientacin) hasta una final se llama la trayectoria o camino. La planificacin de la trayectoria (o planificador de trayectoria) interpola y/o aproxima la trayectoria deseada por una clase de funciones polinomiales y genera una secuencia de puntos de consignas de control en funcin del tiempo para el control del manipulador desde la posicin inicial hasta el destino. En general, el problema de control de movimientos consiste en: 1) obtener los modelos dinmicos del manipulador, 2) utilizar estos modelos para determinar leyes o estrategias de control para conseguir la respuesta y el funcionamiento del sistema deseado. Desde el punto de vista de anlisis de control, el movimiento del brazo de un robot se suele realizar en dos fases de control distintas. La primera es el control del movimiento de aproximacin en el cual el brazo se mueve desde una posicin/orientacin inicial hasta la vecindad de la posicin/orientacin del destino deseado a lo largo de una trayectoria planificada. El segundo es el control del movimiento fino en el cual el efector final del brazo interacciona dinmicamente con el objeto utilizando informacin obtenida a travs de la realimentacin sensorial para completar la tarea. Los enfoques industriales actuales para controlar el brazo del robot tratan cada articulacin como un servomecanismo de articulacin simple. Este planteamiento modela la dinmica de un manipulador de forma inadecuada porque desprecia el movimiento y la configuracin del mecanismo del brazo de forma global. Estos cambios en los parmetros del sistema controlado algunas veces son bastante significativos para hacer ineficaces las estrategias de control por realimentacin convencionales. El resultado de ello es una velocidad de respuesta y un amortiguamiento del servo reducido, limitando as la precisin y velocidad del efector final y hacindolo apropiado solamente para limitadas tareas de precisin.. Los manipuladores controlados de esta forma se mueven a velocidades lentas con vibraciones innecesarias. Cualquier ganancia significativa en el rendimiento de esta y otras reas de control del brazo del robot requieren la consideracin de modelos dinmicos ms eficientes, enfoques de control sofisticados y el uso de arquitecturas de ordenadores dedicadas y tcnicas de procesamiento en paralelo.

SENSORES DEL ROBOT La utilizacin de mecanismos sensores externos permite a un robot interaccionar con su entorno de una manera flexible, esto est en contraste con operaciones preprogramadas en las cuales a un robot se le ensea para efectuar tareas repetitivas mediante un conjunto de funciones preprogramadas. Aunque esto ltimo es con mucho la forma ms predominante de operacin de los robots industriales actuales, la utilizacin de tecnologa sensorial para dotar a las mquinas con un mayor grado de inteligencia al tratar con su entorno es realmente un tema de investigacin y desarrollo activo en el campo de la robtica. La funcin de los sensores del robot se pueden dividir en dos categoras principales: estado interno y estado externo. Los sensores del estado interno tratan con la deteccin de variables tales como la posicin de la articulacin del brazo, que se utiliza para controlar el robot. Por otra parte, los sensores de estado externo tratan con la deteccin de variables tales como alcance, proximidad y contacto. Los sensores externos se utilizan para guiado de robots, as como para la identificacin y manejo de objetos. Aunque los sensores de proximidad, contacto y fuerza juegan un papel significativo en la mejora del funcionamiento del robot, se reconoce que la visin es la capacidad sensorial ms potente del robot. La visin del robot se puede definir como el proceso de extraer, caracterizar e interpretar informacin de imgenes de un mundo tridimensional. Este proceso, tambin comnmente conocido visin de mquina o de ordenador, se puede subdividir en seis reas principales: 1) Sensor 2) preprocesamiento 3) segmentacin 4) descripcin 5) reconocimiento 6) interpretacin. Es conveniente agrupar estas diversas reas de visin de acuerdo con la sofisticacin que lleva su desarrollo. Consideramos tres niveles de procesamiento: visin de bajo, medio y alto nivel. Aunque no existen fronteras ntidas entre estas subdivisiones, proporcionan un marco til para categorizar los distintos procesos que son componentes inherentes de un sistema de visin por mquina. En nuestra discusin, trataremos los sensores y el preprocesamiento como funciones de visin de bajo nivel.

Esto nos llevar desde el propio proceso de formacin de imagen hasta compensaciones tales como la reduccin de ruido, y finalmente a la extraccin de caractersticas primitivas de imgenes tales como discontinuidades en la intensidad. Asociaremos con la visin de medio nivel aquellos procesos que extraen, caracterizan y etiquetan componentes en una imagen resultante de la visin de bajo nivel. En trminos de nuestras seis subdivisiones, trataremos la segmentacin, descripcin y reconocimiento de objetos individuales como funciones de visin de medio nivel. La visin de alto nivel se refiere a procesos que intentan emular el conocimiento.

LENGUAJES DE PROGRAMACIN DE ROBOTS Un gran obstculo en la utilizacin de los manipuladores como mquinas de uso general es la falta de comunicacin eficaz y apropiada entre el usuario y el sistema robtico, de forma que ste pueda dirigir al manipulador para cumplir una tarea dada. Hay algunas formas de comunicarse con un robot, y los tres grandes enfoques para lograrlo son: el reconocimiento de palabra discreta, ensear y reproducir y lenguajes de programacin de alto nivel.

El estado actual del reconocimiento de voz es bastante primitivo y generalmente depende del orador. Pueden reconocer un conjunto de palabras discretas de un vocabulario limitado y normalmente requiere que el usuario pare entre palabras. Aunque es posible reconocer palabras en tiempo real debido a componentes de ordenador ms rpidos y algoritmos de procesamientos eficientes, la utilidad del reconocimiento de palabras discretas para describir una tarea es limitada. Ms an, requiere una gran cantidad de memoria para almacenar el discurso, y normalmente se necesita un perodo de entrenamiento para incorporar patrones de voz con fines de reconocimiento.

El mtodo de ensear y reproducir lleva consigo el instruir al robot al dirigirlo a travs de los movimientos que va a realizar. Esto se suele efectuar en los pasos siguientes: 1) Dirigir al robot en movimiento lento utilizando control manual a travs de la tarea de montaje completa, siendo grabados los ngulos de las articulaciones del robot en posiciones apropiadas con el fin de reproducir el movimiento;

2) edicin y reproduccin del movimiento enseado, y 3) si el movimiento enseado es correcto, entonces el robot lo ejecuta a una velocidad apropiada de forma repetitiva. Este mtodo se conoce tambin como guiado y es el enfoque ms comnmente utilizado en los robots industriales de hoy da. Un planteamiento ms general para resolver los problemas de comunicacin hombre-robot es la utilizacin de programacin de alto nivel. Los robots se utilizan comnmente en reas tales como soldadura por arco, soldadura de punto y pintura al spray". Estas tareas no requieren interaccin entre el robot y el entorno y se pueden programar fcilmente mediante guiado. Sin embargo, el uso de robots para efectuar tareas de montaje requiere generalmente tcnicas de programacin de alto nivel. Se necesita este esfuerzo porque el manipulador se controla normalmente por un ordenador, y la manera ms efectiva para que los humanos se comuniquen con las ordenadores es a travs de un lenguaje de programacin de alto nivel. Ms an, al utilizar programas para describir tareas de montaje, permite a un robot efectuar trabajos diferentes simplemente ejecutando el programa apropiado. Esto aumenta la flexibilidad y versatilidad del robot

INTELIGENCIA DEL ROBOT Un problema bsico en robtica es la planificacin de movimiento para resolver alguna tarea preespecificada, y luego controlar al robot cuando ejecuta las rdenes necesarias para conseguir esas acciones. Aqu planificacin significa decidir un curso de accin antes de actuar. Esta parte de sntesis de accin del problema del robot se puede lograr mediante un sistema de resolucin de problemas que lograr algn objetivo marcado, dada alguna situacin inicial. Un plan es as una representacin de un curso de accin para lograr un objetivo dado. La investigacin sobre resolucin de problemas con robots ha conducido a muchas ideas acerca de los sistemas para la resolucin de problemas en inteligencia artificial. En una formulacin tpica de un problema de robot tenemos un robot que est equipado con sensores y un conjunto de acciones primitivas que puede realizar en algn mundo fcil de comprender. Las acciones del robot cambian un estado o configuracin del mundo en otro. En el mundo de bloques, por ejemplo, imaginamos un mundo de algunos bloques etiquetados colocados en una mesa o uno sobre otro y un robot consistente en una cmara de televisin y un brazo mvil que es capaz de tomar y mover bloques. En algunas situaciones, el

robot es un vehculo mvil con una cmara de TV que efecta tareas tales como empujar objetos de un sitio en un entorno que contiene otros objetos. La discusin hace nfasis en la resolucin del problema o aspectos de planificacin de un robot. Un planificador de robot intenta encontrar una trayectoria desde nuestro mundo del robot inicial hasta un mundo del robot final. El camino consiste en una secuencia de operaciones que se consideran primitivas para el sistema. Una solucin a un problema podra ser la base de una secuencia correspondiente de acciones fsicas en el mundo fsico. La planificacin de robots, que proporciona la inteligencia y la capacidad de resolucin de problemas a un sistema robtico, es todava un rea de investigacin muy activa. Para aplicaciones de robots en tiempo real, necesitaremos algoritmos de planificaciones potentes y eficaces que se ejecutarn por sistemas de ordenadores de uso especial a alta velocidad. Si bien el hombre ha buscado crear mquinas que puedan realizar las mismas tareas que l, ahora su meta va ms all: lograr que stas no slo reproduzcan conductas inteligentes, sino que lo hagan utilizando los mismos principios que se han descubierto en los seres vivos y en particular en el hombre. Esta ciencia llamada robtica etolgica o fisiolgica pretende que la naturaleza indique los caminos. Estos robots permiten a los investigadores entender algunas funciones imposibles de desentraar directamente a travs de la experimentacin animal

DESCRIPCIN DEL PROYECTO El proyecto consiste en realizar un brazo dispositivo capaz de adquirir los movimientos bsicos de un brazo humano, basado principalmente en la configuracin angular de las estructuras bsicas de la morfologa de los robots. Este tipo de robots cuenta con una estructura con tres articulaciones de rotacin (3G o RRR), tal como se muestra en la figura 1.

Figura1: Configuraciones bsicas de robots manipuladores industriales (Ferrat y otros, 1986)

La posicin del extremo final se especifica de forma natural en coordenadas angulares. La estructura tiene mejor acceso a espacios cerrados y es fcil desde el punto vista constructivo. Es muy empleada en robots manipuladores industriales, especialmente en tareas de manipulacin que tengan una cierta complejidad, la configuracin angular es con mucho, la ms utilizada en educacin y actividades de investigacin y desarrollo, con esta estructura, es posible conseguir un gran volumen de trabajo. El controlador de un robot con un brazo de estructura angular debe realizar tareas ms complejas debido a que, las trayectorias se especifican normalmente en coordenadas cartesianas. Orientacin del efector final. El movimiento de un brazo robtico provisto de una mueca con un efector final es frecuente tratarlo en dos pasos, se mueve el brazo para posicionar el extremo del ltimo enlace, se orienta la mueca para que le efector final tenga la orientacin adecuada. En la figura se muestra un manipulador angular provisto de una mueca que aade tres grados de libertad de rotacin a la estructura, de esta forma se llega a los seis grados de libertad (tres del brazo y tres de la mueca) que se necesitan en un caso general para especificar una posicin y una orientacin en el espacio.

Figura 2: Manipulador con configuracin angular y mueca con tres grados de libertad

Al igual que sucede en la especificacin de la posicin mediante articulaciones consecutivas, pueden existir configuraciones degeneradas, como es el caso de la que se ilustra en la figura Obsrvese como se pierde un grado de libertad.

Figura 3: Mueca en configuracin degenerada (Ferrat y otros, 1986)

Estructura Mecnica Mecnicamente, el robot estar formado por una estructura modular tipo gantry, cuya cadena cinemtica posee 3 grados de libertad lineales asociados a los ejes X, Y y Z respectivamente. Adems, posee un cuarto eje de rotacin acoplado a la mueca del efector.

SERVOMOTORES

Los servos son un tipo especial de motor de c.c. que se caracterizan por su capacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier posicin dentro de su intervalo de operacin. Para ello, el servomotor espera un tren de pulsos que se corresponde con el movimiento a realizar. Estn generalmente formados por un amplificador, un motor, un sistema reductor formado por ruedas dentadas y un circuito de realimentacin, todo en una misma caja de pequeas dimensiones. El resultado es un servo de posicin con un margen de operacin de 180 aproximadamente. Se dice que el servo es un dispositivo con un eje de rendimiento controlado ya que puede ser llevado a posiciones angulares especficas al enviar una seal codificada. Con tal de que exista una seal codificada en la lnea de entrada, el servo mantendr la posicin angular del engranaje. Cuando la seal codificada cambia, la posicin angular de los piones cambia. En la prctica, se usan servos para posicionar elementos de control como palancas, pequeos ascensores y timones. Tambin se usan en radio-control, marionetas y, por supuesto, en robots. Los Servos son sumamente tiles en robtica. Los motores son pequeos. Un motor como el de las imgenes superiores posee internamente una circuitera de control y es sumamente potente para su tamao. Un servo normal o estndar como el HS-300 de Hitec proporciona un par de 3 kgcm a 4.8 V, lo cual es bastante para su tamao, sin consumir mucha energa. La corriente que requiere depende del tamao del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar movindose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo est enclavado.

El servo es un potente dispositivo que dispone en su interior de un pequeo motor con un reductor de velocidad y multiplicador de fuerza, tambin dispone de un circuito que controla el sistema. El ngulo de giro del eje es de 180 en la mayora de ellos, pero puede ser fcilmente modificado para tener un giro libre de 360, como un motor standard. El motor servo es el encargado de dar movilidad al robot y su forma fsica es posible de apreciar en la figura 4.

Fig 4. Motor servo Para controlar un especficas servo se debe aplicar un pulso de duracin y frecuencia

Todos los servos disponen de tres cables, dos para alimentacin Vcc y Gnd (4.8 a 6 [V]) y un tercero para aplicar el tren de pulsos de control, que hace que el circuito de control diferencial interno ponga el servo en la posicin indicada, dependiendo del ancho de pulso. En la figura 5 es posible apreciar ejemplos del posicionamiento del eje del servo dependiendo del ancho del pulso, donde se logra 0, 90 y 180 con anchos de pulso de 0.5, 1.5 y 2.5 [ms] respectivamente.

Fig 5. Ejemplos de posicionamiento de un servo

Composicin del servo En la siguiente figura se muestra la composicin interna de un servomotor. Se puede observar el motor, la circuitera de control, un juego de piones, y la caja. Tambin se pueden ver los 3 cables de conexin externa: Uno (rojo) es para alimentacin, Vcc (~ +5volts); Otro (negro) para conexin a tierra (GND); El ltimo (blanco o amarillo) es la lnea de control por la que se le enva la seal codificada para comunicar el ngulo en el que se debe posicionar.

Fig. 6: Servomotores utilizados para el control y torque del brazo

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potencimetro conectado al eje central del motor. En la figura 6 se puede observar a la derecha. Este potencimetro permite a la circuitera de control, supervisar el ngulo actual del servo motor. Si el eje est en el ngulo correcto, entonces el motor est apagado. Si el circuito chequea que el ngulo no es correcto, el motor volver a la direccin correcta, hasta llegar al ngulo que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero vara segn el fabricante.

Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecnicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante. El voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que ste necesita viajar. As, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresar a toda velocidad. Si este necesita regresar slo una pequea cantidad, el motor girar a menor velocidad. A esto se le denomina control proporcional.

Anexo1. (Tipos de Servomotores a usar) Funcionamiento del servo. Control PWM La modulacin por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas ms empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que se vara el tiempo que el pulso est a nivel alto, manteniendo el mismo perodo (normalmente), con el objetivo de modificar la posicin del servo segn se desee. Para la generacin de una onda PWM en un microcontrolador, lo ms habitual es usar un timer y un comparador (interrupciones asociadas), de modo que el microcontrolador quede libre para realizar otras tareas, y la generacin de la seal sea automtica y ms efectiva. El mecanismo consiste en programar el timer con el ancho del pulso (el perodo de la seal) y al comparador con el valor de duracin del pulso a nivel alto. Cuando se produce una interrupcin de overflow del timer, la subrutina de interrupcin debe poner la seal PWM a nivel alto y cuando se produzca la interrupcin del comparador, sta debe poner la seal PWM a nivel bajo. En la actualidad, muchos microcontroladores, como el 68HC08, disponen de hardware especfico para realizar esta tarea, eso s, consumiendo los recursos antes mencionados (timer y comparador).

El sistema de control de un servo se limita a indicar en qu posicin se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duracin del pulso indica el ngulo de giro del motor. Cada servo tiene sus mrgenes de operacin, que se corresponden con el ancho del pulso mximo y mnimo que el servo entiende. Los valores ms generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejaran al motor en ambos extremos (0 y 180). El valor 1.5 ms indicara la posicin central o neutra (90), mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2ms, pudindose conseguir ngulos mayores de 180. Si se sobrepasan los lmites de movimiento del servo, ste comenzar a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor limitante es el tope del potencimetro y los lmites mecnicos constructivos.

El sistema de control de un servo se limita a indicar en qu posicin se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duracin del pulso indica el ngulo de giro del motor. Cada servo tiene sus mrgenes de operacin, que se corresponden con el ancho del pulso mximo y mnimo que el servo entiende. Los valores ms generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejaran al motor en ambos extremos (0 y 180). El valor 1.5 ms indicara la posicin central o neutra (90), mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2ms, pudindose conseguir ngulos mayores de 180. Si se sobrepasan los lmites de movimiento del servo, ste comenzar a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor limitante es el tope del potencimetro y los lmites mecnicos constructivos.

Circuito driver del Servo La que se proporciona aqu es una versin. Puede usarse para jugar con servos, para verificar que funcionan, o para conectarle servos a un Robot. Lo primero para este montaje es encontrar los pulsos requeridos con un osciloscopio para programarlo en un microcontrolador.

DISEO DEL BRAZO ROBTICO

Fig 7. Prototipo de brazo robot

Fig. 8: Piezas del brazo robot

CONSTRUCCIN DEL BRAZO MECNICO

Fig. 9: Piezas y tarjeta arduino

Fig. 10: Brazo mecnico terminado

Fig. 11: Brazo mecnico terminado (perfil)

Arduino Arduino es una plataforma de hardware de cdigo abierto, basada en una sencilla placa con entradas y salidas, analgicas y digitales, en un entorno de desarrollo que est basado en el lenguaje de programacin Processing. Es un dispositivo que conecta el mundo fsico con el mundo virtual, o el mundo analgico con el digital. Sus creadores son el zaragozano David Cuartielles, ingeniero electrnico y docente de la Universidad de Mlmo, Suecia y Massimo Banzi, italiano, diseador y desarrollador Web. El proyecto fue concebido en Italia en el ao 2005.

PROGRAMACIN Y CONTROL DEL BRAZO MECNICO

CONCLUSIONES La parte mecnica del prototipo est concluida, el brazo est en condiciones de funcionar, sin embargo existieron fallas en los servomotores por la incorrecta conexin de los mismos. La placa electrnica arduino nos facilito el control y manejo del brazo mecnico, sin algn tipo de problema, ya que es muy practica y fcil de usar. El prototipo esta creado, ahora su uso depende de quin lo requiera, en una empresa o para una persona. El prototipo est diseado y listo para usarse sin algn tipo de errores. Si se pretende crear este a gran escala, los errores y las fallas son inaceptables pues a nivel industria las perdidas suelen ser millonarias. Por otra parte al utilizar este en alguna empresa que requiera de esfuerzos y trabajos montonos el brazo les permite incrementar la produccin y las ganancias, sin necesidad de mano de obra

ANEXO 1 Vigor VS-2 ServoBasic InformationModulation: Analog4.8V:

44.4 oz-in (3.20 kg-cm) Torque:6.0V:

48.6 oz-in (3.50 kg-cm)4.8V:

0.23 sec/60 Speed:6.0V:

0.19 sec/60 Weight: 1.38 oz (39.2 g)Length:

1.60 in (40.6 mm) Dimensions:Width:

0.79 in (20.1 mm)Height:

1.53 in (38.9 mm) Motor Type: Gear Type: Rotation/Support: ? (add) ? (add) ? (add)

VS-2ASpesifications:

Description: Standard size analoge servo Operating voltage: 4.8 - 6.0 Volt Operating speed: 0.17 sec/60 @ 6V Output Torque: 5.0 kgf.cm @ 4.8V Weight: 39.2g Size: 40.6x20x38.6mm

Vigor VS-3 ServoBrand: Street Price: Vigor 5.95 USD

User Reviews Number of Reviews: Average Rating: 1 4.0 / 5.0

Basic Information Modulation: Analog 4.8V: 30.6 oz-in (2.20 kg-cm) Torque: 6.0V: 34.7 oz-in (2.50 kg-cm) 4.8V: 0.11 sec/60 Speed: 6.0V: 0.09 sec/60 Weight: 0.57 oz (16.2 g) Length: 1.14 in (29.0 mm) Dimensions: Width: 0.50 in (12.7 mm) Height: 1.24 in (31.5 mm)

Vigor VS-9 ServoBrand: Product Number: Suggested Retail: Street Price: Compare: Vigor ? (add) ? (add) 6.29 USD add

User ReviewsNumber of Reviews: Average Rating: 0 n/a

Basic InformationModulation: Analog4.8V:

6.9 oz-in (0.50 kg-cm) Torque:6.0V:

8.3 oz-in (0.60 kg-cm)4.8V:

0.09 sec/60 Speed:6.0V:

0.08 sec/60 Weight: 0.16 oz (4.4 g)Length:

0.77 in (19.6 mm) Dimensions:Width:

0.32 in (8.1 mm)Height:

0.94 in (23.9 mm)

Vigor VTS-05A ServoBrand: Street Price: Compare: Vigor 3.99 USD add

Basic InformationModulation: Torque: Speed: Weight: Analog4.8V:

13.9 oz-in (1.00 kg-cm)4.8V:

0.17 sec/60 0.28 oz (8.0 g)Length:

0.89 in (22.6 mm) Dimensions:Width:

0.50 in (12.7 mm)Height:

0.93 in (23.6 mm) Motor Type: Gear Type: Rotation/Support: ? (add) ? (add) ? (add)

ANEXO 2 ENTIDAD EJECUTORA Alumnos de la Especialidad de Ing. Mecatrnica RESPONSABLES RODRIGUEZ MENDEZ JUAN CARLOS SEGURA DE JESUS YARA

LOCALIZACIN. Instituto Tecnolgico De Toluca, Metepec, Estado De Mxico DURACIN Un ciclo acadmico.2011-I PRESUPUESTO Y FINANCIAMIENTO PRESUPUESTO DE MATERIALES 5 Servomotores . Acrilico Cables 5 metros. Arduino ... Tornillos, Pila recargable (9v).... Soldadura 20 Plug . Fuente de voltaje (3).. Clavijas .... 1 m de cable triplex ...... Lija (2)... Termoflex (1m..... 850.00 300.00 40.00 400.00 150.00 6.00 170.00 180.00 5.00 20.00 15.00 18.00

FINANCIAMIENTO

Los gastos que demande esta construccin del proyecto, ser solventado por los alumnos del curso de Seminario de Mecatrnica.

RECURSOS DE MATERIALES EQUIPOS Y MQUINAS y HERRAMIENTAS Taladro de columna. Cautn. Brocas Vernier Regla Cter. Comps Lijas de 220 Computadora. Mototool Sierra de inglete telescpica Pistola de calor CRONOGRAMA DE ENTREGA El proyecto ser entregado a finales del mes de abril principios de mayo, como ya mencionamos en la organizacin y administracin del proyecto.

FUENTES DE CONSULTA www.ovaliente.com.ar/perso/robot/definamo.htm www.roboticspot.com/robotica/robotica.shtml www.linkmesh.com/robots/.../definiciones_de_los_robots.php www.alegsa.com.ar/Dic/robot.php es.wikipedia.org/wiki/Robot .wikipedia.org/wiki/Robot http://www.alipso.com/monografias/2542 http://proton.ucting.udg.mx/materias/robotica/ www.roboticajoven.mendoza.edu.ar/docu/brazo.pdf http://www.servodatabase.com/servo/vigor www.wikilearning.com/.../robotica-antecedentes/3064-1