propuesta de diseño de una brazo robotico, ujap

REPÙBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD JOSÈ ANTONIO PÀEZ
FALCULTAD DE INGENIERÌA
ESCUELA DE MECÀNICA
ESCUELA DE COMPUTACIÒN
CARRERAS: INGENIERIA MECANICA,
INGENIERIA EN COMPUTACION
DISEÑO DE UN BRAZO ROBOTICO PARA LA
AUTOMATIZACION EN EL PROCESO DE
FABRICACION DE UN CELULAR.
Autores:
Luis De Almeida
Alimar Granda
Jorge Carrera
Tutor:
María Auxiliadora
San Diego – Agosto del 2021
Índice General
CAPITULO
I
II
III
IV
PP
EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del Problema…………………..3
1.1.1 Formulación del Problema………………..4
1.2 Objetivos de la Investigación…………………5
1.2.1 Objetivo General…………………………5
1.2.2 Objetivos Específicos…………………….5
1.3 Justificación de la Investigación………………5
1.4 Alcance y Limitaciones………………………..6
MARCO TEÓRICO……………………………………....8
2.1 Antecedentes…………………………………..8
2.2 Bases Teóricas………………………………..10
2.3 Cuadro de Operacionalización de Variables…14
MARCO METODOLÓGICO…………………………...15
3.1 Tipo de Investigación………………………...15
3.2 Diseño de la Investigación…………………...15
3.3 Nivel de la investigación…………………….16
3.4 población y muestra………………………….16
ASPECTOS ADMINISTRATIVOS
4.1 Recursos Humanos………………………….18
4.2 Recursos Materiales………………………....18
4.5 Recurso Tiempo……………………………..19
2
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1
Planteamiento del problema
La distribuidora de robots colaborativos de México “RIPIPSA”, define los
brazos mecánicos como:
Robots articulados, pues un brazo mecánico es construido y elaborado con
estructuras de carácter flexible y conformadas por articulaciones adaptables que
permiten ejecutar un amplio rango de movimientos y funciones simulando a un
brazo humano. Tienen como principal característica el cumplir la funciones de
agilizar actividades, tareas y funciones que requieren una actividad de
repetividad y precisión con entornos humanos seguros; durante los procesos de
automatización de líneas de producción y manipulación de máquinas en
diferentes industrias: Mecánica, Minería, Automovilística, Farmacéutica,
Alimenticia etc.
Son un tipo de brazos robóticos que permiten generar soluciones viables
específicamente en cuanto a la línea de ensamblaje de dispositivos de bolsillo como lo
son los celulares, Smartwatches y similares, pues logran una automatización mediante
tareas continuas que implican movilizar objetos de distintos pesos combinados con
gran precisión y realizan montajes en diversos ángulos y posiciones, los cuales una
3
persona común no podría hacer a igual eficacia o por la misma cantidad de tiempo.
Estos robots de ensamblaje son resistente al calor, polvo, agua y generalmente son una
solución bastante económica para muchas empresas. Los avances tecnológicos
modernos han dado paso a mayor acceso económico a el uso de maquinaria en contraste
con el costo de trabajadores tradicionales, una de las desventajas que estos últimos
poseen es el hecho que no se encuentran en la capacidad de hacer una misma actividad
repetitiva, por altos periodos de tiempo sin que haya variación en la producción,
margen de error fluctuante o perdida de material en el proceso, es por eso que el uso de
artificios mecánicos que si pueden realizar las anteriormente nombradas actividades
repetitivas cumpliendo con los lineamientos de producción y teniendo un mayor tiempo
de trabajo eficiente, esto se debe a que no necesitan vacaciones, descansos,
alimentación, entre otros.
Seguidamente de esto, mientras que se puede argumentar que estas tienen un
alto costo de mantenimiento, se puede decir que la ganancia producida es mayor a lo
largo de su tiempo de uso, esta investigación se basa en el diseño de un brazo mecánico
de bajo costo para el ensamblaje de piezas de celulares, el cual al ser de bajo costo tiene
mayor devolución de la inversión realizada al tomar en cuenta su tiempo de servicio.
1.1.1
Formulación Del Problema
¿Es posible diseñar un brazo mecánico de bajo costo y alto rendimiento, nivel
de programación de funciones de fácil acceso, el cual sea capaz de ensamblar partes de
celulares de una manera eficaz?
4
1.2
Objetivos de la Investigación
1.2.1
Objetivo General

Diseñar un brazo mecánico de bajo costo que sea capaz de ensamblar partes de
celulares basados en la tecnología mecatrónica.
1.2.2

Objetivos Específicos
Diagnosticar los requerimientos en la cadena de ensamblaje de celulares para
un entendimiento más óptimo de las funciones habituales de un brazo robótico.

Discernir un tipo de estudio de los distintos materiales y alternativas en la
fabricación de un brazo robótico.

Diseñar un brazo robótico que permita automatizar las tareas que se llevan a
cabo en el proceso de ensamblaje de celulares.
1.3
Justificación de la investigación
En vista de que las empresas de ensamblaje poseen una gran cantidad de
actividades repetitivas y que estas poseen ciertas consecuencias en el rendimiento
humano, incrementando el margen de error se propone un brazo robótico ya que este
permitirá automatizar el proceso de ensamblaje, como también podrá realizar
5
actividades repetitivas cumpliendo con los lineamientos de producción y teniendo un
mayor tiempo de trabajo eficiente.
Dado un diseño exitoso de un brazo robótico y este llegue a incorporarse en la
línea de ensamblaje podría aumentar significativamente el rendimiento de la operativa
a diferencia de un operario común, los brazos robóticos pueden repetir la misma tarea
todo el tiempo que sea necesario como también optimizar y dotar de eficiencia a los
procesos complejos ya que poseen una gran precisión disminuyendo así el margen de
error.
Adicionalmente se puede destacar que el tiempo de vida útil del brazo robótico
es largo, y al poseer un costo de fabricación bajo tiene mayor devolución de la inversión
realizada al tomar en cuenta su tiempo de servicio.
1.4 Alcance y limitaciones
El diseño del brazo robótico no será capaz de manipular al 100% un objeto
tangible, únicamente mostrara su funcionamiento y su lenguaje de programación.
1.4.1 Alcance

Se limitaría al uso de materiales con bajo costo.

Tiene un alcance bajo en peso ya que estará fabricado para la realización de
ensamble de celulares, lo cual tendría que ser con mucha precisión.

Aborda la realización de tareas repetitivas y tediosas.
6

Realizara tareas en horas nocturnas, lo cual permite el ahorro de tiempo.

Reduce el riesgo de accidentes al personal.
1.4.2 Limitaciones

Una vez programados para una tarea no son capaces de realizar ninguna otra
adicional.

El diseño del brazo robótico no será capaz de manipular al 100% un objeto
tangible, únicamente mostrará su funcionamiento y su lenguaje de
programación.
7
CAPÍTULO II
MARCO TEORICO
2.1 Antecedentes
El uso de sistemas de un robot en la industria para completar las funciones
requeridas en las últimas décadas, la precisión extremadamente alta ha ido en aumento.
El desarrollo de estos sistemas está centrarse en mejorar determinados aspectos, como
la resistencia a distintos trabajos condiciones, precisión de movimiento, versatilidad
(procesamiento, Corte, taladrado, etc.), adaptabilidad e independencia para diferentes
entornos de trabajo Su funcionamiento, es decir, tiene la capacidad de tomar decisiones
sobre su desempeño.
A continuación se presentarán una serie de artículos de investigación. Antes del
proyecto, utilizarlo como principal fuente de información y verificar su estructura
teórica y aplicación, y analizar los aportes en base a las variables utilizadas en los
objetivos establecidos en la investigación.
Torres, J. Yate, J. López, S. (2020). Egresados de la Universidad “Santo
Tomas” – (Santander, Colombia), realizaron una investigación titulada: diseño de
brazo robótico remoto para reducir crisis en el campo medico promoviendo el
distanciamiento social en el marco de la contingencia sanitaria del COVID-19. El
objetivo es diseñar un brazo robótico a control remoto o con la ayuda del personal
médico, prevenir el impacto grave de la infección en COVID-19 entidades sanitarias
8
públicas y privadas del país. Se usó esto para generar una propuesta innovar para el
desarrollo de la productividad en el campo de la salud. Esto comenzará desde en las
siguientes fases, la primera donde se realizara una evaluación preliminar de las
operaciones número de brazos robóticos que se han utilizado para inspecciones a nivel
internacional usuarios médicos, porque esta es una máquina cada vez más importante
la importancia de una inspección eficaz; por esta razón, este beneficio un nuevo modelo
de obtención de información suficiente para la realización de tecnología a escala global
y el funcionamiento de la máquina.
La segunda etapa implica realizar cálculos, modelos previsibles y otros factores
relacionados en cada componente incorporar la construcción de la máquina, y
finalmente, la ejecución del brazo robótico definir el correcto comportamiento de la
máquina en cuestión mediante simulación, para garantizar el diseño CAD, los cálculos
realizados y los beneficios efectivos puede conseguirlo implementando estas máquinas
en el sistema sanitario.
Morales, k. Hoyos, C. García, J. (2019). Egresados de la “Universidad nacional
experimental del Táchira”- (Venezuela). Realizaron una investigación titulada: Diseño
y optimización de la estructura mecánica de un brazo robótico antropomórfico desarrollado
con fines educativos. El objetivo es presentar un diseño y construcción de la estructura
mecánica del brazo robótico. Personificación de cuatro grados de libertad con fines
didácticos. El proyecto parte de la fase de desarrollo. El concepto recibió seis
propuestas destinadas a satisfacer las necesidades del cliente. Fue luego ejecutado
utilizando las especificaciones del producto como referencia, seleccionando el
concepto a desarrollar.
Por el concepto se sugiere que se hayan realizado siete etapas de rediseño, para
que sea posible llegar al plan de diseño final. En concreto, se realiza una fase de
simulación continua para analizar la respuesta dinámica de la estructura en las
9
siguientes condiciones aplicar carga a lo largo del tiempo, observar el estado de tensión
aplicado a cada pieza y ajustar el tamaño. El enlace considera las restricciones y
especificaciones previamente definidas. Según los resultados obtenidos, se generó una
estructura que satisfaga las especificaciones de diseño originalmente establecidas,
teniendo en cuenta tenga las restricciones relacionadas con el servomotor que se
utilizará y la carga máxima que se manejará. Al final, además del producto final
desarrollado, también se muestran los modelos de cinemática directa e inversa del
brazo.
2.2 Bases Teóricas
En este apartado se explicará un concepto muy importante que sirve como la
principal línea de investigación por la cual se rige este trabajo de investigación, dicho
esto, este concepto se conoce como “Mecatrónica”.
2.2.1 Mecatrónica
(W. Bolton, 2016) Un sistema mecatrónico no es sólo la unión de los
sistemas electrónico y mecánico y es más que sólo un sistema de control; es una
integración completa de todos ellos en la cual existe un enfoque concurrente al
diseño. (pág., 3)
Habiendo leído esto podemos inferir que la Mecatrónica representa un nuevo
nivel de integración para la tecnología de la manufactura avanzada y de los procesos.
El intento se basa forzar el trabajo multidisciplinario para la creación de sistemas
10
especiales así como reforzar el entendimiento de los procesos y el control en una
empresa, como bien podría ser una en la cual se manufacturen celulares.
2.2.2 Robot
Según Ollero (2001) “En el término robot confluyen las imágenes de máquinas
para la realización de trabajos productivos y de imitación de movimientos y
comportamientos de seres vivos.” (p. 1)
Además, los robots actuales son obras de ingeniería, por lo que han sido diseñados con
propósitos específicos como producir bienes y servicios o explotar recursos naturales.
2.2.2 El brazo robótico
Según Ruiz-Velasco (2007) sirve para mover la mano y tomar o posicionar
objetos. El espacio de trabajo y de alcance del brazo robótico, depende de su
estructura mecánica.” Esto significa que el brazo transporta la carga y debe tener la
posibilidad de moverse para darle funcionalidad también a la mano. (p. 92)
Donde infieren sus diferentes partes, se unen y conectan para hacer sus movimientos
de rotación y traslación. Al usar estos movimientos estos brazos incrementan su
capacidad motriz y pueden imitar el movimiento humano requerido para ensamblaje
de piezas. Incluso se pueden realizar tareas más delicadas. Entre ellas, el ajuste de
piezas o de tornillos en diferentes estructuras.
11
2.2.3 Tipos de brazos robóticos
Una vez que entendemos qué es esta herramienta, continuamos discutiendo los
tipos de brazos robóticos que se pueden encontrar en la industria y las fábricas. Estos
promueven el trabajo de los empleados de la industria y mejoran la moral Las horas de
trabajo de estas máquinas son casi continuas y mejoran el rendimiento de las máquinas.
Por tanto, permiten realizar tareas complejas de traslado, manipulación de objetos,
productos químicos, piezas, etc. Es caro o peligroso para los humanos.
2.2.3.1 Robot cartesiano
Los robots cartesianos (RRR) son también conocidos como robots pórticos o
lineales. Según Reyes (2011) “el modelo cinemático del robot cartesiano es más
sencillo en contraste con otros, ya que presenta características lineales. Este tipo de
robot es útil en graficadores, taladros automáticos y plotters.” (p. 243)
2.2.3.2 Robot esférico o polar
Los robots esféricos (RRP), Según Reyes (2011) “El nombre de esta
configuración deriva del hecho que la posición del extremo final puede ser programada
en coordenadas esféricas.” (p. 238)
12
2.2.3.3 Robot cilíndrico
Sus ejes forman un sistema de coordenadas de círculos concéntricos que le
permiten efectuar tareas como la manipulación de máquinas. Pero además, puede
realizar funciones de soldadura de punto. También manejan maquinaria de fundición a
presión y operaciones de ensamblaje.
Según Reyes (2011) “Su estructura mecánica es compleja y su espacio
de trabajo es la porción de un cilindro hueco… El origen del sistema de
referencia cartesiano para el robot en la configuración cilíndrica se ubica en la
articulación de la base.” (p. 241)
2.2.3.5 Robot SCARA
Son brazos de trabajo pesado, comúnmente de gran tamaño. Según Reyes (2011) “es
un brazo planar antropomórfico de dos articulaciones rotacionales para la base y
hombro, respectivamente, que se mueve en un plano horizontal; la tercera articulación
es prismática.” (p. 236)
En conclusión podemos decir que el brazo robótico es una innovación
tecnológica de vanguardia, que cambio el mundo desde su fabricación y que está
presente en multitud de industrias en la actualidad. Estos pueden llevar a cabo variados
tipos de trabajos que una persona no puede hacer por seguridad, falta de habilidad y/o
conocimiento y también trabajo común que cualquier empleado puede hacer. Sean
meramente de carga de objetos pesados o tareas de precisión. Esta herramienta es una
13
forma de mejorar la eficiencia del trabajo en las fábricas y mejorar la economía de las
empresas.
2.3 Cuadro técnico metodológico
Objetivo general: Diseñar un brazo mecánico de bajo costo capaz de ensamblar partes
de celulares.
Cuadro técnico metodológico Nº 1
Objetivo especifico
Estudiar los procesos que se
llevan a cabo en la cadena
de ensamblaje de celulares
para determinar requisitos
necesarios en el diseño de
un brazo robótico.
Variables
Estudio de
procesos.
1-Proceso de
línea de
ensamblaje.
Indicadores
Instrumento
-Orienta la
actividad a los
objetivos
propuestos.
-Dinámicas de
integración.
2-Estudio de
línea.
Diseñar un brazo robótico
que permita automatizar las
tareas que se llevan a cabo
en el proceso de ensamblaje
de celulares.
Automatización
de tareas.
Comparar los distintos
materiales y alternativas
que permitan fabricar un
brazo robótico a bajo costo.
Comparación
de materiales y
alternativas.
Implementar el brazo
robótico en base al diseño y
los elementos
seleccionados.
Dimensiones
1-Personal
capacitado.
-Detección y
corrección de
errores.
2-Manejo de
robótica.
Brazo robótico.
1-Analisis de
materiales y
posibles
alternativas.
2- Estudio de
mercado.
1-Aplicación de
nuevos
procedimientos.
-Mapas de
Conceptos.
-Análisis de
proceso.
-Observación de
ideas.
-Planos de
diseño.
-Relaciona los
contenidos
previos con los
nuevos
conocimientos.
-Trabajo escrito.
-Orienta la
actividad a la
resolución del
problema.
-
-Análisis.
Fuente: Alimar Granda
Luis de Almeida
Jorge Carrera
14
Item
CAPÍTULO III
MARCO METODOLOGICO
Una vez planteado el problema de investigación y los objetivos para alcanzar
por los autores, se hizo necesario establecer los procedimientos de orden metodológico
que permitieron ejecutar la investigación. Esto implicó seleccionar el tipo y diseño de
la investigación y su aplicación al contexto particular en estudio, la operacionalización
de las variables y las técnicas e instrumentos de recolección de información.
Según Arias (2006), el marco metodológico constituye el “como” se
debe realizar la investigación para responder al problema planteado.
3.1. Naturaleza de la investigación.
El presente trabajo se clasifica como un tipo de investigación cuantitativa, ya
que, según Hernández, Fernández y Baptista (2008) definen que: “el enfoque
cuantitativo usa la recolección de datos, probar hipótesis, con base en la medición
numérica y análisis estadísticos, para establecer patrones de comportamiento y probar
teorías”.
3.2. Diseño de la investigación.
El diseño de la investigación adoptado en el presente estudio es un diseño no
experimental y de campo, ya que se pretende observar un fenómeno en su contexto
natural y, así mismo, obtener información respecto al mismo. De acuerdo con el
15
planteamiento de Hernández, Fernández y Baptista (2002), la investigación no
experimental es aquella que se efectúa sin manipular deliberadamente las variables,
observando el fenómeno tal y como se presenta en su ambiente natural. Así mismo,
Arias (2006) describe la investigación de campo aquella que consiste en la recolección
de datos directamente de los sujetos investigados, o de la realidad donde ocurren los
hechos, sin manipular o controlar variable alguna, es decir, el investigador obtiene la
información, pero no altera las condiciones existentes.
3.3. Nivel de investigación.
Dado el propósito de este trabajo, el mismo se circunscribe dentro de un nivel
de investigación descriptiva, ya que su finalidad es indagar por la problemática actual
con respecto a las dificultades que se pueden presentar en una línea de producción
debido a actividades repetitivas y consecuencias del rendimiento humano lo cual
incrementa un margen de error con dicho servicio y a su vez plantear el diseño de un
brazo robótico de bajo costo para así se capaz de mejorar esta relación.
Según Hernández, Fernández, Baptista (2008) “las investigaciones
descriptivas se definen como aquellas que buscan especificar las propiedades,
las características y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos,
objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis”.
3.4. Población y muestra.
Tamayo (2012) define la población como la totalidad de un fenómeno de
estudio, incluye la totalidad de unidades de análisis que integran dicho fenómeno y que
debe cuantificarse para un determinado estudio integrando un conjunto N de entidades
16
que participan de una determinada característica, y se le denomina la población por
constituir la totalidad del fenómeno adscrito a una investigación.
Quiere decir, que una población no necesariamente es representativa del
universo, simplemente es un subconjunto de él, delimitado por criterios específicos. En
tal sentido, algunos autores suelen clasificar las poblaciones en dos categorías: finita e
infinita (Martínez, 1984; Ramírez, 1995). Es infinita cuando no es posible especificar
o registrar cuántos y quiénes la conforman; mientras se define como finita, la población
cuyos integrantes son conocidos y pueden ser identificados y listados por el
investigador en su totalidad. Para esta investigación la población por lo tanto no aplica
debido a que este trabajo de investigación se basa en el diseño de un instrumento más
no en su implementación en una empresa especifica ni el uso que se le dé a dicho diseño
por parte de un individuo el cual no se los tres autores de la presente investigación.
17
CAPÍTULO IV
ASPECTOS ADMINISTRATIVOS
4.1. Recursos Humanos



Los Autores De este trabajo de investigación.
El tutor asignado por la Universidad José Antonio Páez.
Especialistas en el área de mecatrónica consultados durante la realización de
este trabajo de investigación.
4.2. Recursos Materiales




Computador.
Cableado de conexión a internet.
Teclado y mouse.
Monitor.
4.3 Recursos Institucionales



Universidad José Antonio Páez - (Carabobo, Venezuela).
Universidad Santo Tomas - (Santander, Colombia).
Universidad nacional experimental del Táchira – (Táchira, Venezuela).
4.5 Recurso Tiempo
El tiempo a usar en la planificación y realización de este trabajo de
investigación consta de aproximadamente dieciséis (16) semanas dadas por la duración
del semestre académico correspondiente a la universidad José Antonio Páez.
18
4.5.1 Cronograma de Actividades
Cronograma De Actividades
ACTIVIDAD
/
SEMANA
Planificación de la
investigación
1
2
3
4
5
X
X
X
X
X
6
7
Tiempo
8 9 10
11
12 13
14
15
16
T
5
Redacción
8
Correcciones
7
Simulación
2
Defensa
1
Total
23
Fuente: Luis De Almeida, Jorge Carrera, Alimar Granda (2021)
19
REFERENCIAS
https://tesisinvestigacioncientifica.blogspot.com/2013/08/queeslapoblacion.html?m=0
http://virtual.urbe.edu/tesispub/0063522/cap03.pdf
https://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/8917/Capitulo_III_Marco
_Metodol_gico.pdf
https://www.google.com/maps/place/UNIVERSIDAD+SANTO+TOM
AS/@7.5489667,75.4175717,7z/data=!4m9!1m2!2m1!1suniversidad+
santo+tomas!3m5!1s0x0:0x6da1e9e297afb4a3!8m2!3d8.2586177!4d7
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https://www.google.com/search?q=robots+esfericos&oq=robots+esferi
cos+&aqs=chrome..69i57j0i22i30l2.9064j0j15&sourceid=chrome&ie=
UTF-8
https://www.google.com/search?q=ESNECA+Business+Schoolbrazo+
robotico&sxsrf=ALeKk01Ut4qJLkvySR2hZQHJhtagg8et6g%3A1627
431082153&ei=qqAAYeziCLSyqtsPq_mTyAI&oq=ESNECA+Busine
ss+Schoolbrazo+robotico&gs_lcp=Cgdnd3Mtd2l6EANKBAhBGABQ
AFgAYCFoAHAAeACAAQCIAQCSAQCYAQCqAQdnd3Mtd2l6&s
client=gwswiz&ved=0ahUKEwjs37CcvYTyAhU0mWoFHav8BCkQ4
dUDCA8&uact=5
20
https://www.academia.edu/39131931/Mecatr%C3%B3nica_Sistemas_
de_control_electr%C3%B3nico_en_la_ingenier%C3%ADa_mec%C3
%A1nica_y_el%C3%A9ctrica_5ta_Edici%C3%B3n
https://www.google.com/search?q=Mecatr%C3%B3nica%3A+Sistema
s+de+control+electr%C3%B3nico+en+ingenieria+mecatr%C3%B3nic
a+W.+Bolton&sxsrf=ALeKk02Ew1UhixbzUxd2_yXgMqm1gNY0A
%3A1627428319303&ei=35UAYZPmEZGNwbkPzbG04AM&oq=M
ecatr%C3%B3nica%3A+Sistemas+de+control+electr%C3%B3nico+e
n+ingenieria+mecatr%C3%B3nica+W.+Bolton&gs_lcp=Cgdnd3Mtd2
l6EAxKBAhBGABQAFgAYO_kBWgAcAJ4AIAB7ASIAewEkgED
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EwjT0fn2soTyAhWRRjABHc0YDTwQ4dUDCA8
21