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Proyecto

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Instituto Tecnológico de Salina Cruz
TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ
CARRERA: ING. ELECTRÓNICA
INFORME TÉCNICO DE RESIDENCIA PROFESIONAL
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO
ELECTRÓNICO
PRESENTAN:
LUIS ALFREDO FUENTES MARQUÉS
MIGUEL AGUILAR CALZADA
N° C: 161020162
N° C: 16020176
ASESOR: ING. ANITA DEL CARMEN MORALES CRUZ
SALINA CRUZ, OAXACA; SEPTIEMBRE 2020- ENERO 2021
2. Agradecimientos.
Un agradecimiento por todo el apoyo en cada parte de mi vida a nuestras familias,
debemos agradecer porque gracias a ellos estamos cursando nuestros estudios
superiores.
Agradezco a mis maestros que me formaron con reglas y con algunas libertades,
pero al final de cuentas me motivaron constantemente para alcanzar mis metas. mis
compañeros por haberme apoyado no solo por la ayuda brindada, sino por los
buenos momentos en la que convivimos, haciendo un agradecimiento especial a la
profesora Susana Mónica Román Nájera por la ayuda brindada en el desarrollo del
proyecto de grado.
3. Resumen.
El presente trabajo pretende enfocarse en la enseñanza y el aprendizaje de la
ingeniería electrónica
El control electrónico se efectuó a través de una tarjeta Arduino, la cual permite el
control de los servomotores para la realización del movimiento de la mano robótica,
la versión final se construyó con materiales disponibles comercialmente, dando
como resultado un prototipo didáctico que puede ser utilizado como herramienta
motivadora para el aprendizaje de programación en Arduino.
4. Índice.
5. Introducción.
Implementar una mano robótica utilizando la tecnología Arduino para el desarrollo
didáctico enfocado para los estudiantes de la carrera en ingeniería en electrónica,
con la implementación de la mano robótica se pretende tener un impacto positivo
en la enseñanza y el aprendizaje de la electrónica. a través del cual el estudiante
podrá acceder de manera interactiva a las temáticas propias de la programación en
Arduino. De esta forma se espera incrementar la motivación de los estudiantes por
el área de tecnología, a la vez que se mejoran las competencias de programación.
6. Descripción de la empresa u organización y del puesto o área del trabajo el
estudiante.
El Instituto Tecnológico de Salina Cruz, es una institución de carácter público, por
lo cual la impartición de sus carreras es gratuita.
Ubicación: Carretera a San Antonio Monterrey Km 1.7, Granadillo, Salina Cruz;
Oaxaca. C.P. 70701
Tel (s):
(971) 716 3242
(971) 716 2837
(971) 716 3074
Correo electrónico:
La misión del instituto es formar profesionales, creativos y emprendedores, con
valores éticos, humanistas de excelencia académica, que fortalezcan el servicio a
la sociedad y sector productivo mediante el desarrollo y la aplicación de las nuevas
tecnologías.
La visión es ser una institución de educación superior de alto desempeño
académico, que fomente valores éticos y contribuya al desarrollo sustentable del
país.
Los valores del instituto son:
• Bien común
• Integridad
• Honradez
• Imparcialidad
• Justicia
• Transparencia
• Servicio
• Solidaridad
• Equidad
Política de calidad:
El Instituto Tecnológico de Salina Cruz establece el compromiso de implementar
todos sus procesos, orientándolos hacia la satisfacción de sus clientes sustentada
en la calidad del Proceso Educativo, para cumplir con sus requisitos, mediante la
eficacia de un sistema de Gestión de Calidad y de mejora continua, conforme a la
Norma ISO 9001:2008/NMX-CC-9001-IMNC-2008
Política de equidad de género:
El SNEST establece el compromiso de promover la igualdad de oportunidades en
el acceso y promoción al empleo, la prevención del hostigamiento sexual y la no
discriminación entre hombres y mujeres; a través del desarrollo de acciones
afirmativas y/o a favor del personal, con el propósito de mantener un ambiente de
trabajo armonioso y favorecer la equidad de género.
7. Problemas a resolver, priorizándolos.
La falta de ayudas didácticas para que los estudiantes plasmen sus ideas sobre lo
que se está aprendiendo en las áreas de programación y automatización industrial,
ha sido un gran problema en el desarrollo de las competencias del área de Ing.
Electrónica. Al no disponer del material didáctico adecuado, se dificulta la labor de
los docentes y se produce desmotivación de los estudiantes, los cuales pierden la
oportunidad de acceder a una temática interesante y actual, como lo es la
programación en arduino. Es por esto que en el presente proyecto se basa en la
tecnología de software de código abierto Arduino. Ya que este puede servir
virtualmente para cualquier propósito de control, automatización y registro de datos,
el cual es una herramienta fácil de utilizar y se puede convertir en una ayuda
didáctica en el aula.
De lo anterior surge la necesidad de implementar una ayuda didáctica que motive a
los estudiantes del área de Ing. Electrónica que facilite el desarrollo de la temática
por parte de los docentes en la enseñanza de la Automatización Industrial.
8. Objetivos (General y Específicos).
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar una Mano Robótica Didáctica que permita el aprendizaje integral de
programación en Arduino para estudiantes de la carrera de ingeniería electrónica.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
•
Diseñar una mano robótica didáctica que permita motivar y afianzar los
conocimientos relacionados con Arduino.
•
9. Justificación.
En el Instituto Tecnológico de Salina Cruz, la carrera de Ingeniería en Electrónica
tiene la especialidad de Automatización Industrial como el espacio formativo para
que los estudiantes apropien conocimientos relacionados en esta área. Muchas
instituciones educativas han tomado en particular a la programación en la
plataforma Arduino, como alternativa para brindar la formación, sin embargo, para
aplicaciones industriales queda muy limitado, para lo cual el arduino cumple estos
requisitos siendo una herramienta fácil de utilizar y se puede convertir en una ayuda
didáctica en el aula.
En el área de Ingeniería Electrónica, es de gran importancia que los estudiantes
entiendan y asocien las temáticas de automatización Industrial con su contexto.
Para ello es indispensable que el docente disponga de medios didácticos que le
permitan demostrar lo que está enseñando, a la vez que el estudiante puede
comprobar lo que está aprendiendo.
En el presente proyecto se diseña una propuesta de una mano robótica como
prototipo didáctico, con el cual el estudiante podrá observar de manera llamativa las
temáticas propias de la automatización industrial. De esta forma se espera
incrementar la motivación de los estudiantes por el área de ingeniería Electrónica,
a la vez que se mejoran las competencias de programación, sistemas de control Y
sistemas automatizados.
10. Marco Teórico (fundamentos teóricos).
En los últimos años la incansable evolución de las tecnologías ha permitido acercar
a las personas a convivir con equipos robóticos que desempeñan de manera
automática diferentes tareas que los humanos por diferentes factores ambientales,
espaciales, temporales no podemos realizar. Es así como se han creado Robots
que son usados en diferentes estamentos de la sociedad moderna, como en la
medicina en la cual por medio de robots se han realizado cirugías más precisas y
de mayor complejidad; en el ámbito Industrial han ayudado a realizar tareas en
ambientes nocivos para el ser humano como la operación en altas temperaturas, se
han utilizado en tareas repetitivas en los sistemas de producción como en la
fabricación de automóviles, en el hogar se han introducido en los sistemas de
limpieza como aspiradoras automáticas, en la exploración espacial se han enviado
robots a otras mundos por ejemplo Marte donde la sonda Curiosity (Curiosidad en
español) el cual incluía un robot para explorar la superficie marciana.
En la construcción de robots modernos se han integrado diferentes disciplinas como
la electrónica, mecánica y desarrollo de software. En donde la electrónica se
encarga del desarrollo del hardware de control utilizando de microprocesadores los
cuales son el sistema inteligente que ejecutan los algoritmos necesarios para la
realización de las tareas, con la electrónica también se desarrolla los sistemas de
potencia encargado de mover los motores y actuadores del Robot. La mecánica se
encarga de los mecanismos que mueven y de las estructuras que lo soportan. Al
software se encomienda el desarrollo de los programas que soportan las funciones
y decisiones que toma el Robot de forma automática.
El desarrollo del proyecto es para que los futuros ingenieros en electrónica, se
aproximen a la programación en contextos didácticos, que les permitan apropiar
competencias que luego serán muy útiles en el desarrollo de la creatividad y, por
ende, en el ejercicio profesional.
En este contexto, la aplicación de la electrónica en el campo educativo ha venido
creciendo, gracias a la versatilidad de los dispositivos, y se constituye en una
herramienta de motivación para el aprendizaje de temáticas relacionadas con
tecnología. Adicionalmente, la electrónico se ha empleado para afianzar las
destrezas en la solución de problemas en los niveles de educación básica y media,
así como en el desarrollo de habilidades de proceso científico en la formación inicial
de docentes e ingenieros, entre otros profesionales.
La electrónica como tal tiene una gran variedad de aplicaciones para la vida del
hombre, como, por ejemplo, la robótica educativa implica el desarrollo de prototipos
reales, permitiendo la aplicación creativa del conocimiento de los estudiantes. Estos
prototipos son una herramienta importante para comprender conceptos abstractos
y complejos, a la vez que permiten el desarrollo de competencias básicas como el
trabajo en equipo. Aunque existen diversas alternativas, como los seguidores de luz
y los robots inspirados en insectos, una opción a explorar es la mano robótica, la
cual puede constituirse en un prototipo didáctico que motive a los estudiantes en el
aprendizaje de la temática de programación.
El principal objetivo pedagógico de la mano robótica es el de permitir al estudiante
interactuar con ella, identificando la funcionalidad de cada uno de sus componentes,
a la vez que motiva al aprendizaje de los temas relacionados con programación.
Desde el punto de vista técnico, el prototipo deberá permitir la movilidad de los cinco
dedos, emulando el cierre y apertura.
Figura No. 1. Ejemplo de una mano robótica
La mano robótica se programa a través de Arduino, permitiendo la simulación del
movimiento de los cinco dedos. Arduino, sistema para desarrollo con
microcontroladores de bajo costo, es una plataforma de hardware y software libre,
factible de ser usada en diversas aplicaciones, especialmente en las de adquisición
y procesamiento de señales. Aunque existen otros sistemas de desarrollo, como los
basados en microcontroladores PIC de Microchip, se escogió Arduino debido a que
cuenta con un entorno de programación gráfica y descriptiva muy simple, adecuado
para la enseñanza en los primeros niveles educativos.
Figura No.2. Arduino
En la figura numero 2 corresponde a la placa Arduino el cual será utilizado como el
bloque de mando corresponde al software ARDUINO, en donde el estudiante
programa al bloque de control, teniendo en cuenta las variables de entrada y salida.
Luego se encuentra el bloque de control, donde el estudiante realiza las conexiones
en la placa Arduino, conectando los elementos intangibles con los artefactos
tangibles, mediante el programa que se realiza en el bloque de mando.
El estudiante realiza las conexiones en el Protoboard de los diferentes
componentes, como: servomotores, potenciómetro y push button, entre otros. El
movimiento está constituido por el mecanismo que conforma la estructura física de
los dedos de la mano robótica, los cuales responden a las señales del bloque de
control de movimiento.
Para la elaboración del proyecto nos apoyamos de diferentes materiales educativos
que están constituidos por todos los instrumentos de apoyo, herramientas y ayudas
didácticas (guías, libros, materiales impresos y no impresos, esquemas, videos,
diapositivas, imágenes, etc.) que se construyen o se seleccionan con el fin de
acercar a los estudiantes al conocimiento y a la construcción de los conceptos para
facilitar el aprendizaje. No obstante, es fundamental tener presente que el sentido
de estos materiales deriva de la decisión de cómo seleccionarlos, qué utilización
darles, para qué y cómo organizarlos en una actividad.
Materiales utilizados.
Servomotor.
Un servomotor es un actuador rotativo o motor que permite un control preciso en
términos de posición angular, aceleración y velocidad, capacidades que un motor
normal no tiene. Utiliza un motor normal y lo combina con un sensor para la
retroalimentación de posición. El controlador es la parte más sofisticada del
servomotor, ya que está diseñado específicamente para este fin.
Cómo funciona un servomotor
Los servomotores se controlan enviando un pulso eléctrico de ancho variable, o
modulación de ancho de pulso (PWM), a través del cable de control. Hay un pulso
mínimo, un pulso máximo y una frecuencia de repetición. Por lo general, un
servomotor sólo puede girar 90° en cualquier dirección para un movimiento total de
180°.
Los servomotores poseen tres cables, a diferencia de los motores comunes que
sólo tienen dos. Estos tres cables casi siempre tienen los mismos colores, por lo
que son fácilmente reconocibles.
Características:
•
Voltaje de operación: 4.8 V (~5 V)
•
Velocidad de operación: 0.1 s/60º
•
Torque detenido: 1.8 kgf∙cm
•
Banda muerta: 10 μs
•
Capacidad de rotación: 180º aprox. (90º en cada dirección)
•
Peso ligero: 9 g
•
Dimensiones compactas: Largo 22.2 mm, ancho 11.8 mm, altura 31
mm aprox.
•
Largo del cable: 25 cm aprox.
•
Piñonería plástica de nylon
•
Incluye 3 brazos o cuernos (horns) y su tornillo de sujeción, 2 tornillos para
montaje del servo y cable de conexión con conector
•
Conector universal tipo "S" compatible con la mayoría de receptores
incluyendo Futaba, JR, GWS, Cirrus, Blue Bird, Blue Arrow, Corona, Berg,
Spektrum y Hitec, entre otros
Figura No. 3. Servo SG90
Potenciómetro.
Un potenciómetro es un instrumento
utilizado generalmente en un ámbito
técnico con el fin de poder determinar la diferencia de potencial eléctrico entre dos
terminales eléctricas. La diferencia de potencial es lo que comúnmente se conoce
como voltaje.
Como funciona un potenciómetro
Un potenciómetro tiene un funcionamiento sencillo, tiene una resistencia variable en
cada extremo y una tercera conexión hacia un control deslizante, el cual nos
permitirá aumentar o disminuir la resistencia propiamente.
El propósito de esto es conseguir un valor variable entre las conexiones, el cual
podremos controlar nosotros mismos.
Figura No. 4. Potenciómetro
Cómo conectar un potenciómetro
El potenciómetro tiene tres terminales de las cuales normalmente se identifica con
la numeración 1,2 y 3 o A,B y C. La terminal A o 1 y B o 3 corresponden a las
terminales de conexión al circuito y la terminal B o 2 se puede interpretar como la
conexión de señal o punto de referencia. Para mejor entendimiento se representó
el potenciómetro como dos resistores en serie y la terminal variable (perilla).
Normalmente se utiliza la siguiente configuración:
Figura No. 5. Representación interna del potenciómetro
Terminal A o 1: Corresponde a GND.
Terminal B o 2: Corresponde a señal.
Terminal C o 3: Corresponde a V o Señal de entrada.
Switch Palanca
Un interruptor eléctrico es en su acepción más básica un dispositivo que permite
desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica. En el mundo moderno sus
tipos y aplicaciones son innumerables, van desde un simple interruptor que apaga
o enciende una bombilla, hasta un complicado selector de transferencia automático
de múltiples capas, controlado por computadora. Su expresión más sencilla consiste
en dos contactos de metal inoxidable y el actuante. Los contactos, normalmente
separados, se unen mediante un actuante para permitir que la corriente circule. El
actuante es la parte móvil que en una de sus posiciones hace presión sobre los
contactos para mantenerlos unidos.
Figura No. 6. Switch Palanca
Especificaciones:
•
Interruptor de palanca.
•
Tipo SPDT: 1 polo 2 tiros
•
3 posiciones: ON-OFF-ON
•
Corriente y voltaje max: 6 A / 125 VAC
•
Resistencia de contactos: 20 mΩ max.
•
Resistencia de aislación: 500 VDC, 1000 MΩ min.
•
Soporte dieléctrico: 1500 VAC, 1 min
•
Expectativa de vida: 10.000 operaciones como mínimo
•
Pines: 3
Simulación.
Componentes electrónicos utilizados.
La siguiente imagen nos muestra el diagrama de conexión de los servomotores y el
potenciómetro, el potenciómetro es utilizado para el control del servomotor.
Figura No. 7. Circuito a implementar.
Este circuito será utilizado para la abertura y cierre de la mano robótica, el
potenciómetro nos ayudara para el control de los servomotores.
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