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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)
INGENIERO EN INFORMATICA
PROYECTO FIN DE CARRERA
GUIADO DE UN BRAZO ROBTICO MEDIANTE UN SISTEMA DE VISIN
ARTIFICIAL
AUTOR: MANUEL LUCANIA FESSER
MADRID, Septiembre 2007
Guiado de un brazo robtico - Manuel Lucania Fesser - Septiembre 2007 1
Autorizada la entrega del proyecto del alumno/a: MANUEL LUCANIA FESSER
..........................................................
EL DIRECTOR DEL PROYECTO LVARO SNCHEZ MIRALLES
Fdo.: ........................ Fecha: ....../ ....../ ......
Vo Bo del Coordinador de Proyectos MIGUEL NGEL SANZ BOBI
Fdo.: ........................ Fecha: ....../ ....../ ......
Guiado de un brazo robtico - Manuel Lucania Fesser - Septiembre 2007 2
ndice
1. INTRODUCCIN .................................................................................................. 4
2. OBJETIVOS DEL PROYECTO .......................................................................... 6
3. METODOLOGA DE TRABAJO ........................................................................ 8
4. RECURSOS EMPLEADOS................................................................................ 11
5. BRAZO ROBTICO ........................................................................................... 12
5.1. DISEO MECNICO .................................................................................. 12
5.1.1. ESTRUCTURAS DE SOPORTE (Huesos y Articulaciones) ........ 16
5.1.2. MOTORES (Msculos)....................................................................... 20
5.2. CONTROL DE MOVIMIENTOS................................................................. 24
5.2.1. FUNCIONAMIENTO GENERAL........................................................... 25
5.2.2. DISEO ELECTRNICO...................................................................... 30
1) Microcontrolador PIC16F876 .................................................................... 30
2) La etapa de potencia ................................................................................... 32
5.2.3. ALGORITMOS DE POSICIONAMIENTO............................................. 38
6. SISTEMA DE VISIN ARTIFICIAL ............................................................... 40
6.1. DISEO MECNICO .................................................................................. 41
6.2. CONTROL DE MOVIMIENTOS................................................................. 44
6.2.1. FUNCIONAMIENTO GENERAL........................................................... 45
6.2.2. DISEO ELECTRNICO...................................................................... 48
6.2.3. PROCESAMIENTO DE IMGENES..................................................... 49
7. PLANIFICACIN ................................................................................................ 59
8. PRESUPUESTO................................................................................................... 69
8.1. MEDICIONES............................................................................................... 69
8.1.1. BRAZO ROBTICO............................................................................... 70
8.1.2. CABEZA ROBTICA............................................................................. 71
8.1.3. PLACA DE CONTROL DE MOTORES................................................. 72
8.1.4. EQUIPOS, SENSORES Y HERRAMIENTAS......................................... 73
8.1.5. MANO DE OBRA................................................................................... 73
8.2. SUMAS PARCIALES.................................................................................... 74
8.2.1. BRAZO ROBTICO............................................................................... 74
8.2.2. CABEZA ROBTICA............................................................................. 75
Guiado de un brazo robtico - Manuel Lucania Fesser - Septiembre 2007 3
8.2.3. PLACA DE CONTROL DE MOTORES................................................. 76
8.2.4. EQUIPOS, SENSORES Y HERRAMIENTAS......................................... 77
8.2.5. MANO DE OBRA................................................................................... 77
8.3. PRESUPUESTO GENERAL........................................................................ 78
9. RESULTADOS ..................................................................................................... 79
10. CONCLUSIONES ................................................................................................ 81
11. FUTUROS DESARROLLOS.............................................................................. 82
12. BIBLIOGRAFA .................................................................................................. 83
Guiado de un brazo robtico - Manuel Lucania Fesser - Septiembre 2007 4
1. INTRODUCCIN
La Robtica surge como confluencia de varias materias: Mecnica, Electricidad,
Electrnica, Automtica e Informtica. Hasta hace poco la mayor parte de las
definiciones y clasificaciones iban en lnea con el robot industrial [RENT00], por ser
ste el ms utilizado. Sin embargo, en la actualidad un nuevo grupo de robots, los
robots de servicio, estn en fase de desarrollo. Este segundo trmino englobara los
robots dedicados a cuidados mdicos, educacin, de uso en oficinas, de uso domstico,
para intervencin en ambientes peligrosos, para aplicaciones espaciales, para
aplicaciones submarinas, para agricultura, o para uso militar. Los robots de servicio son
dispositivos electromecnicos mviles o estacionarios, dotados normalmente de uno o
varios brazos mecnicos independientes, controlados por un programa de ordenador y
que realizan tareas no industriales sino de servicio.
Este proyecto surge por mi inters personal hacia los robots humanoides. Un robot
humanoide es un robot de servicio que imita la apariencia humana y algunos aspectos de
su conducta. Tiene manos y brazos libres que utiliza para su interaccin con el entorno,
as como sistemas de visin artificial incorporados. Aunque no hay una aplicacin
determinante para este tipo de robots, actualmente la industria los est focalizando hacia
el mercado del entretenimiento. Tambin se estudian otras reas de aplicacin, como el
mantenimiento en plantas industriales, construccin, servicio en el hogar, bienestar y
cuidado de enfermos, o rescate en catstrofes.
La construccin de un robot que imite convincentemente (aunque sea mnimamente)
la libertad de gestos y movimiento humanos, es una labor de una enorme complejidad
tcnica. De hecho, es un problema que en varias instancias est todava abierto a la
investigacin y a la mejora. Pero existen ya varios ejemplos bastante meritorios en ese
sentido, de robots humanoides que emulan ciertas conductas y capacidades humanas.
Un gran conocido en este sentido, es el robot Asimo de Honda, que es capaz de marchar
en dos pies, de subir y bajar escaleras y de otra serie de proezas de locomocin bpeda.
Tambin destaca COG, un robot humanoide del MIT (Massachusetts Institute of
Technology) que intenta emular la sensorizacin y motricidad de la parte superior de un
cuerpo humano.
Guiado de un brazo robtico - Manuel Lucania Fesser - Septiembre 2007 5
Construir un humanoide completo (con piernas, brazos y cabeza) representara un
objetivo inalcanzable para una nica persona que dispone de pocos meses de trabajo
para llevarlo a cabo. Por ello pens en reducir el problema a sus elementos mnimos: un
brazo y uno ojos. Y a partir de estas limitaciones asign al robot una funcionalidad
(jugar al ping-pong) que pudiera demostrar sus capacidades.
COG
Asimo
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2. OBJETIVOS DEL PROYECTO
El objetivo principal es la construccin fsica del robot (brazo y cabeza) y sus circuitos
de control, la implementacin de unos algoritmos bsicos de desplazamiento que
permitan mover los motores del robot a cualquier posicin, y la captura y procesamiento
de imgenes en tiempo real. El brazo tendr cinco grados de libertad para emular los
movimientos del brazo derecho de una persona, desde el hombro hasta la mueca. Cada
uno de los ojos tendr dos grados de libertad (arriba-abajo, izquierda-derecha). Las
rdenes de movimiento se lanzarn desde un ordenador hacia el sistema robtico,
indicando la posicin en la que deben situarse los motores. Una vez desplazados a la
posicin deseada, los motores debern mantener dicha posicin hasta recibir una nueva
orden.
Como objetivos opcionales tenemos: el control de la velocidad de los motores, la
implementacin de un algoritmo de deteccin de bordes, el desarrollo de un algoritmo
para la deteccin del centro de masas de una pelota de ping-pong naranja, la deteccin
de la velocidad de la pelota, el seguimiento de una pelota en movimiento con los ojos,
la resolucin del problema cinemtico directo, la resolucin del problema cinemtico
inverso, la creacin de algoritmos que permitan al extremo del brazo sealar y seguir el
recorrido de una pelota en movimiento, y la implantacin de reglas de juego para que
