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: 161020176 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 Implementar una Mano Robótica Didáctica que permita el aprendizaje integral de programación en Arduino para estudiantes de la carrera de ingeniería electrónica. OBJETIVOS ESPECIFICOS • Implementar 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 electrónicos 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. Arduino Arduino es una plataforma de desarrollo basada en una placa electrónica de hardware libre que incorpora un microcontrolador re-programable y una serie de pines hembra. Estos permiten establecer conexiones entre el microcontrolador y los diferentes sensores y actuadores de una manera muy sencilla (principalmente con cables dupont). Figura No. 6. Placa Arduino La enorme flexibilidad y el carácter libre y abierto de Arduino hacen que puedas utilizar este tipo de placas prácticamente para cualquier cosa, desde relojes hasta básculas conectadas, pasando por robots, persianas controladas por voz o tu propio vending machine. Especificaciones técnicas • Micro controlador: atmega328 • Voltaje de operación: 5v • Voltaje de entrada: 7-12v • Voltaje máx/mín : 6-20v • Entradas/salidas digitales i/o: 14 • Canales pwm: 6 • Entradas analógicas: 6 • Memoria flash: 32 kb (atmega328) 0.5 kb (bootloader) • Memoria sram: 2 kb (atmega328) • Memoria eeprom: 1 kb (atmega328) • Velocidad del reloj: 16 mhz Materiales utilizados para la elaboración de la mano robótica Dedos Para realizar el montaje de los dedos de la mano robótica se utilizó las siguientes piezas. La figura 7 representa la falange distal Figura No. 7. La figura 8 representa la falange proximal. En esta pieza se incluirá un servomotor para el control de la falange distal. Figura No. 8. La figura 9 representa los huesos metacarpianos. En esta pieza se incluirá un servomotor para el control de la falange proximal. Figura No. 9. El montaje de las piezas para el dedo robótico da como resultado la siguiente figura No.11 el cual utiliza dos servomotores para el movimiento del dedo robótico. Figura No. 10. Dedo robótico implementado con servomotores Apriete los tornillos avellanados con una toma hexagonal para montar los dedos. No atornille los tornillos hasta el final, deje que las piezas giren (asegúrese de que las piezas pueden girar, pero deje una ligera fricción). Palma Figura No. 11. Palma de la mano robótica Apriete los tornillos avellanados con una toma hexagonal para montar los dedos. No atornille los tornillos hasta el final, deje que las piezas giren (asegúrese de que las piezas pueden girar, pero deje una ligera fricción). Tonillos utilizados para el montaje de las piezas. Tornillos acampanados M3x20 para el montaje de dedos Tornillos acampanados M3x15 para el soporte servo de los dedos Tornillos acampanados M3x15 para montar los dedos a la palma Tornillos acampanados M3x10 para montar el soporte Plano de la mano róbotica Figura No. 12. Mano robótica, vista frontal Medidas de la mano robótica, en esta vista se muestra a la mano robótica de manera frontal. Figura No. 13. Agarre de la mano robótica Agarre de la mano robótica, con sus respectivas medidas y la colocación de los dispositivos como los servomotores y el Arduino. Figura No. 14. Mano robótica, vista lateral Figura No. 15. Puño de la mano robótica En las figuras anteriores se muestra la vista lateral y el puño de la mano robótica. El diseño de la base será una media esfera como se muestra en la figura número 13, en el cual en el centro de la base tendrá un espacio para colocar en el interior un motor el cual será utilizado para que la mano robótica pueda girar a cualquier dirección. Figura No. 16. Media esfera base de la mano robótica En la siguiente imagen se muestra el diseño que se pretende dar Figura No. 17. Diseño a implementar Simulación. Componentes electrónicos utilizados. Para el control de la mano robótica se utilizará 6 potenciómetros cada potenciómetro controlará 2 servomotores. Cada potenciómetro controlara cada dedo como nos muestra en la siguiente figura. Figura No. 18. Dedo índice robótico En la figura numero 18 nos muestra el dedo índice el cual utiliza 2 servomotores para realizar el movimiento el cual será controlado por el potenciómetro. Circuito a implementar. 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. 19. Circuito a implementar. Este circuito será utilizado para la abertura y cierre de la mano robótica, el potenciómetro nos ayudará para el control de los servomotores.
