Carlos Armando Bravo Corona

SISTEMA ROBÓTICO PARA CELULAS DE MANUFACTURA
FLEXIBLE
Bravo Corona, Carlos Armando CECYTEG, Avilés Ferrera, José Josías
Universidad Tecnológica del Suroeste de Guanajuato, UTSOE
RESUMEN
Este artículo presenta el desarrollo del
modelo de cinemática directa de un
robot LEGO para la simulación de un
sistema de manufactura flexible. La
cinemática
se
clasifica
como
cinemática directa e inversa; la primera
permite conocer las coordenadas de
cualquier punto en función de los
grados
generados
por
las
articulaciones mediante matrices que
representan
un
sistema
de
coordenadas ubicadas a lo largo del
manipulador. La cinemática inversa
busca obtener los movimientos de cada
grado de libertad partiendo de la
posición final de robot [1]. El algoritmo
para desarrollar el movimiento del
brazo robótico se diseñó en el software
LEGO Mindstorm EV3 Home Edition.
INTRODUCCIÓN
Un sistema de manufactura flexible
(SMF) son un conjunto de máquinas
automáticas, que se unen para crear un
producto; con el fin de automatizar el
funcionamiento de estos sistemas, las
máquinas deben estar en constante
comunicación y trabajar en conjunto en
la fabricación de piezas [2]. Una de las
ventajas trabajar con los SMF es que
se puede optimizar la fabricación por
lotes, se optimiza el empleo de
sistemas de amarre de piezas,
herramientas, tiempos y mejora la
gestión de la producción [3].
La cinemática es la parte de la física
que estudia el movimiento de sistemas
mecánicos y puede aplicarse para
determinar los movimientos de un
robot. La cinemática directa, es el
estudio analítico del movimiento de un
robot de acuerdo a un sistema
cartesiano
de
referencias
fijo
[4]; por otra parte en la
cinemática inversa, se trata de resolver
la configuración que debe adoptar el
robot para una posición y orientación
del extremo conocidas [5].
Figura 1. Diagrama de relación entre la
cinemática directa e inversa.
Los movimientos que puede realizar un
robot en cada articulación con respecto
a un punto anterior se denominan
grados de libertad (GDL), el número de
grados de libertad de una cadena
cinemática se obtiene mediante la
fórmula de Grübler [6] e indica lo
siguiente:
Dónde:
λ: GDL del espacio de trabajo
n: Número de eslabones
j: Número de articulaciones
fj: GDL permitidos de la articulación j
OBJETIVO
El objetivo de este trabajo es diseñar
un brazo robótico como parte de una
célula de manufactura flexible para que
permita identificar tres colores y a partir
de este reconocimiento el brazo
efectúe movimientos específicos.
Construir un brazo con tres grados de
libertad adaptando bloques LEGO
Mindstorm EV3.
Diseñar el modelo de cinemática
directa del brazo de un robot para
identificar bloques de tres colores
utilizando
el
programa
LEGO
Mindstorm EV3 Home Edition.
MATERIALES Y MÉTODOS
El
material
utilizado
en
este
experimento es el sensor de color [7],
dos motores grandes
y un motor
mediano [8], ladrillos y piezas de
ensable variados del set LEGO Home
edition. También se requiere del
software del mismo nombre.
8vo. Verano Estatal de Investigación
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Bravo Corona, Carlos Armando CECYTEG, Avilés Ferrera, José Josías
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Armado del brazo robótico.
Ya que el kit LEGO Home Edition no
contempla el armado de un brazo
robótico, se retomaron varios pasos
para su diseño del set principal
designado como robot arm 45544 del
kit Mindstorm de la serie Education. Se
adaptaron algunos engranes con
piezas del mismo kit Home Edition para
completar su diseño. De igual forma se
tuvo que programar completamente el
algoritmo en el programa para indicar
los movimientos de brazo robótico.
Movimiento de los servomotores.
Hay dos tipos de motores: el motor
mediano y el motor grande como se
muestra en la Figura 2, la diferencia
entre ambos es la forma y el tipo de
movimiento que podría lograrse de con
ellos.
Motor Mediano
Motor Grande
Sensor de color
Figura 2. Características del motor mediano, el
motor grande el sensor de color.
Para este experimento se programaron
los motores en la función de encendido
por rotaciones, en esta elección el
sensor de rotación interna del motor
grande mide los grados de rotación. La
siguiente Tabla 1 muestra los grados
de rotación que pueden indicarse en
los motores.
Rotaciones
1
2
0.5
1.25
7.2
Grados
360
720
180
450
2592
Diagrama de flujo.
El algoritmo utilizado en
experimento es el siguiente:
este
Figura 3. Diagrama de flujo para identificar
colores con el brazo robótico.
A continuación se describe la dinámica
directa que se programó con el brazo
robótico señalando el centro como
punto de inicio de las acciones.
Utilizando los bloques de flujo bucle e
interruptor (Figura 4) del programa
activamos el sensor de color para
identificar tres colores el rojo, verde y el
azul, cuando identifica algún color el
brazo actúa de manera distinta, con el
color rojo, se levanta de la posición
inicial cerrando las pinzas, gira a la
derecha desciende, abre las pinzas, se
levanta y gira a su posición de inicio;
cuando identifica el color verde, cierra
las pinzas, se levanta, gira a la
izquierda, desciende abre las pinzas,
se levanta y llega a su posición de
inicio; con el color azul, se levanta y
abre y cierra las pinzas tres veces y
regresa a su posición original. El bucle
hace que pueda repetirse la acción
indefinidamente.
Figura 4. Sensor de color inserto dentro del
bucle.
Tabla 2. Formas de obtener la rotación.
8vo. Verano Estatal de Investigación
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Figura 5. Tres grados de libertad para el brazo
robotico.
Cinemática Directa.
La secuencia de actividades que se
diseñaron en el brazo robótico (Figura
5) fueron las siguientes:
1. Encendido del sensor de
identificación de color.
2. Identificación del color rojo, y la
promoción del trayecto del
brazo robótico hacia la derecha.
3. Identificación del color verde, y
la promoción del trayecto del
brazo
robótico
hacia
la
izquierda.
4. Identificación del color azul, y la
promoción del trayecto del
brazo robótico hacia la arriba.
RESULTADOS
Para realizar la dinámica directa se
diseñaron tres movimientos que se
inician cuando el sensor de colores
detecta el color rojo, verde o azul, la
Tabla 2 muestra el tipo de encendido,
la velocidad y la dirección que hacen
los servomotores, se diseñaron los
movimientos similares a imágenes de
espejo, en donde se parte de un punto,
luego se realiza el movimiento y al
terminar vuelve el brazo a su posición
original.
C
B
A
B
C
A
B
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
15
15
20
15
15
25
10
-270
60
-75
-75
270
75
75
Color Azul
B
Bucle
A
A
B
Encendido
Rotaciones
Conteo
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Velocidad
5
Dirección
-80
20
25
5
-75
75
80
Tabla 2. Movimiento de los servomotores.
CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN
Se adecuo la tecnología LEGO para
producir
un
brazo
robótico
e
implementar una célula de manufactura
flexible.
El brazo robótico se programó para
identificar tres colores específicos, y en
cuyo caso la identificación de cada
color produce una cinemática directa
por cada color.
La cinemática inversa, es un proceso
que requiere mayor tiempo para su
programación y no se logró finalizar
para efectos de este brazo robótico.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] M. S. D. John Faber Archila Diaz, «Estudio y modelamiento del robot KUKA KR 6
Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia, vol. 46, nº 46, pp. 132-144, 2008.
[2] A. F. F. &. Cols, «Integración de una célula flexible de mecanizado de tipo docente,
Ingeniare. Revista chilena de ingenier, vol. 15, nº 1, pp. 27-34, 29 Junio 2007.
[3] E. T. S. d. Ingenieria, «Universidad del País Vasco,» 21 Marzo 2012. [En línea].
Available: http://www.ehu.eus/manufacturing/docencia/66_ca.pdf. [Último acceso:
15 Julio 2015].
[4] R. C. Fernando, MATLAB Aplicado a robótica y mecatrónica, México. D.F.:
Alfaomega, 2012.
[5] B. A. &. cols., Fundamentos de robótica, España: Mc Graw Hill, 2007.
[6] J. J. Craig, Robótica, México: Pearson Prentice Hall, 2006.
Movimientos de los servomotores.
Color Rojo
A
A
B
C
B
A
B
C
A
B
Color Verde
A
A
B
Encendido
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Encendido
Rotaciones
Rotaciones
Rotaciones
Velocidad
20
25
15
15
15
20
15
15
25
10
Dirección
-75
75
-80
270
60
-75
-80
-270
75
75
Velocidad
100
20
15
Dirección
0
-75
-75
[7] Lego Mindstorm EV3, «Mindstorm EV3,» LEGO, n.d. n.d. 2014. [En línea].
Available: http://localhost:58401/localizedMapping_B90BDB05-F70E-4B0B-8CEA
031DCF197215/es/editor/page.html?Path=blocks%2FLEGO%2FMediumMotor.htm
[Último acceso: 13 Julio 2015].
[8] LEGO, Mindstorm EV3, «Mindstorm EV3,» LEGO, n.d. n.d. 2014. [En línea].
Available: http://localhost:58401/localizedMapping_B90BDB05-F70E-4B0B-8CEA
031DCF197215/es/editor/index.html. [Último acceso: 13 Julio 2015].
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