Diseño De Un Brazo Robot Controlado Por Pc Como Herramienta Para El Laboratorio De Robotica 4q102w

DISEÑO DE UN BRAZO ROBOT CONTROLADO POR PC COMO HERRAMIENTA PARA EL LABORATORIO DE ROBÓTICA

CARLOS ALBERTO SANCHEZ SOLANO

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULAD DE INGENIERIAS PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERIA DE SISTEMAS SAN JOSE DE CÚCUTA 2002

DISEÑO DE UN BRAZO ROBOT CONTROLADO POR PC COMO HERRAMIENTA PARA EL LABORATORIO DE ROBÓTICA

CARLOS ALBERTO SANCHEZ SOLANO

Tesis presentada para optar el titulo de Ingeniero de Sistemas

Director: TORCOROMA VELASQUEZ PEREZ Ingeniero de Sistemas Especialista en Ingeniería de Software

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULAD DE INGENIERIAS PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERIA DE SISTEMAS SAN JOSE DE CÚCUTA 2002

A un ser muy especial con el cual he Contado en los momentos más difíciles y a quien le debo cuanto represento (DIOS)

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a:

LUIS ANTONIO SANCHEZ Y ANA SILVIA SOLANO mis padres que con gran esmero y esfuerzo me dieron los valores y la educación entre otras tantas cosas que no podré pagarles pero si estar profundamente agradecido(Gracias Viejos)

A todos mis amigos por servir de base de mis esfuerzos, de bastón cundo lo necesite y de correa cundo fue necesario.

AEES Asociación de Electrónicos Egresados del Sena y GRIDA Grupo de Investigación y Desarrollo en Automática de la Universidad Francisco de Paula Santander por su apoyo incondicional de la mayoría de sus

TORCOROMA VELASQUEZ PEREZ, Ingeniero de Sistemas e Instructora de la Universidad Francisco de Paula Santander y Directora del proyecto

JOSE LUIS TOLOZA Y JOSE RICARDO BERMÚDEZ, Ingeniero Mecánico y Ingeniero Electricista Asesores del proyecto

CONTENIDO

Pág. INTRODUCCIÓN

1

1.

PROBLEMA

4

1.1

TITULO

4

1.2

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

4

1.3

OBJETIVOS

5

1.3.1

Objetivo General

1.3.2

Objetivo Específico.

5

1.4

JUSTIFICACION

6

1.5

ALCANCES Y LIMITACIONES

7

1.5.1

Alcances.

1.5.2

Limitaciones.

8

2.

FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA

9

2.1

INTRODUCCIÓN

9

2.2

DEFINICIÓN DE ROBOT

10

2.3

EVOLUCION HISTÓRICA DE LA ROBÓTICA

13

2.4

DEFINICIÓN DE ROBOT

22

2.5

OTROS ROBOTS

24

2.5.1

Robot de Servicio

25

2.5.2

Robot Teleoperado

25

5

7

2.6

ESTRUCTURA MECÁNICA

25

2.6.1

Configuración de Robot

27

2.6.1.1 Configuración Cartesiana

28

2.6.1.2 Configuración Cilíndrico

28

2.6.1.3 Configuración Esférica o Polar

29

2.6.1.4 Configuración ESCARA

29

2.6.1.5 Configuración Angular o Antropomórfica

30

2.7

TRANSMISIONES

30

2.7.1

Accionamiento Directo

32

2.8

ACTUADORES

33

2.8.1

Actuadores Neumáticos

34

2.8.2

Actuadores Hidráulicos

35

2.8.3

Actuadores Eléctricos

36

2.8.3.1 Motores de corriente continua(DC)

37

2.8.3.2 Motores de corriente alterna (AC)

39

2.8.3.3 Motores paso a paso

40

2.9

SENSORES

41

2.9.1

Sensores de posición

41

2.9.2

Sensores de velocidad

41

2.9.3

Sensores de presencia

43

2.10

EFECTO TERMINAL

43

3.

EL CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE (P.L.C)

45

3.1

QUÉ ES NAIS / AROMAT CORPORATION?

45

3.2

INTRODUCCIÓN A LOS CONTROLADORES LÓGICO

PROGRAMABLES PLC

46

3.2.1

Que es un PLC?

46

3.2.2

VENTAJAS DEL PLC

47

3.3

CAMPOS DE APLICACIÓN DEL PLC

48

3.4

ARQUITECTURA INTERNA DEL PLC

49

3.5

ARQUITECTURA DE LAS ENTRADAS Y SALIDAS DIGITALES DE LOS PLC’s NAIS

50

3.6

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LA U

51

3.7

PROGRAMACIÓN DE LOS CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES NAIS

51

4.

EL MICROPROCESADOR

53

4.1

MICROPROCESADOR 8086/8088

53

4.1.1

Unidad Central de Procesamiento (U)

54

4.1.2

8088 / 8086

56

4.1.3

Memoria de micro programa

57

4.1.4

Secuenciador

58

4.1.5

Registro de estado

58

4.1.6

Registro de instrucción

58

4.1.7

Registro de micro palabra

58

4.1.8

Camino de los datos

59

4.1.9

Registros de uso general

59

4.1.10

Unidad aritmética y lógica

59

4.1.11

Interfaz al bus

59

4.2

COMPARACIÓN DE AMBAS TÉCNICAS

59

4.3

TECNOLOGÍA "BIT-SLICE"

60

5.

MICROCONTROLADOR (PIC)

61

5.1

¿QUÉ ES UN PIC?

61

5.2

RESEÑA HISTÓRICA

61

5.3

TIPOS DE PIC

63

5.3.1

Familia PIC16F8X

63

5.3.1.1

Características de U

64

5.3.1.2

Características de periferia

64

5.3.1.3

Características especiales del Microcontrolador

65

5.3.1.4

Tecnología CMOS

65

5.3.1.5

Patillaje

66

5.3.2

Arquitectura interna

66

5.3.2.1

Diagrama de la estructura interna

69

5.3.2.2

Organización de la memoria

69

5.3.2.3

Puertos de E/S

71

6.

DISEÑO Y DESARROLLO DEL PROYECTO

72

6.1

ADECUACIÓN

73

6.1. 1

Motores

73

6.1.2

Tarjeta de Potencia

75

6.1.3

Óptoacopladores

77

6.1.2.2

El Rectificador Controlado de Silicio(SCR)

78

6.1.2.3

Componentes de la Tarjeta de Potencia

81

6.1.2.4

Esquema del Circuito Impreso

81

6.1.3

Tarjeta Lógica

82

6.1.3.1

Lógica Triestado

83

6.1.3.2

Señal de los Sensores

85

6.1.3.2.1

Sensores de o.

84

6.1.3.2.2

Sensores ópticos

88

6.1.3.3

Esquema del Circuito Impreso

89

6.1.4

La Base ó Plataforma del Robot

89

6.1.5

Cableado

92

6.1.5.1

Cableado Interno

92

6.1.5.2

Cableado Externo

93

6.1.5.2.1

Cordón umbilical

93

6.1.6

Estructura del Banco

94

6.2

ESPECIFICACIONES DEL DE CONTROL

96

6.2.1

Control Manual

97

6.2.1.1

Joystick.

97

6.2.1.1.1

Circuito lógico

98

6.2.1.2

Pulsadores

99

6.2.1.2.1

Circuito lógico

00

6.2.2

Control por PLC

101

6.2.2.1

Entradas del PLC

101

6.2.2.2

Salidas al PLC.

102

6.2.3

Control por Microprocesador

103

6.2.4

Control por Microcontrolador

104

6.2.5

Control por PC

106

6.2.5.1

Puerto paralelo

106

6.2.5.2

Tarjeta I/O

108

6.2.5.3

Programación

110

6.2.5.3.1

Pantallas

111

6.2.5.3.2

Salidas del puerto

115

7. CONCLUSIONES

117

8. RECOMENDACIONES

118

BIBLIOGRAFIA ANEXOS

LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1.

Robot de la obra R.U.R.

10

Figura 2.

Manipulador, Robot y Autómata

13

Figura 3.

Androide “Maria”

17

Figura 4.

Estadísticas

22

Figura 5.

Robot de servicio

25

Figura 6.

Estructura de un robot

26

Figura 7.

Tipos de articulaciones

27

Figura 8.

Configuración cartesiana

28

Figura 9.

Configuración cilíndricas

28

Figura 10. Configuración esférica

29

Figura 11. Configuración SCARA

29

Figura 12. Configuración Angular

30

Figura 13. Sistemas de transmisión

31

Figura 14. Actuadores neumáticos

35

Figura 15. Actuadores hidráulicos

36

Figura 16. Estructura de un motor

36

Figura 17. Corriente continua

37

Figura 18. Control de motores DC

38

Figura 19. Corriente alterna

39

Figura 20. Motor paso a paso

40

Figura 21. Sensor encoders

42

Figura 22. Algunas pinzas

43

Figura 23. Unidad de control micro programada

57

Figura 24. comparación 8085 / 8086

60

Figura 25. Patillas PIC16F8X

66

Figura 26. Unidad Aritmética Lógica(ALU)

68

Figura 27. Memoria

69

Figura 28. E/S

71

Figura 29. Motor de +3v con escobillas

73

Figura 30. Motor de +12v con carboncillos

73

Figura 31. Distribución de motores en el robot

74

Figura 32. Esquema electrónico de los motores

75

Figura 33. Optoacoplador

77

Figura 34. Tipos de Optoacoplador

78

Figura 35. SCR

79

Figura 36. Arranque de motores con A.C.

80

Figura 37. Esquema y Señales de los giros del motor

80

Figura 38. Etapas de la tarjeta de interfaz

81

Figura 39. El Impreso de la Tarjeta de Potencia

82

Figura 40. Manejo de la lógica triestado

83

Figura 41. Distribución de los sensores

85

Figura 42. Control electrónico de los sensores

86

Figura 43. Sensor de o

86

Figura 44. Sensor de o

87

Figura 45. Sensor óptico

88

Figura 46. Esquema electrónico del sensor óptico

88

Figura 47. Impreso de la tarjeta interfaz

90

Figura 48. Base del robot

90

Figura 49. Rueda loca

91

Figura 50. Cableado interno

92

Figura 51. Conector DB-25

93

Figura 52. estructura del banco

94

Figura 53. de control

95

Figura 54. Esquema general del de control

96

Figura 55. Control manual

97

Figura 56. Diagrama interno del joystick

97

Figura 57. Circuito de control del joystick

99

Figura 58. Pulsadores del control manual

100

Figura 59. Control de final de trayectoria

101

Figura 60. Control por PLC

101

Figura 61. Manejo de salidas del PLC

102

Figura 62. Circuito de control sensores

102

Figura 63. Control por microprocesador

103

Figura 64. Control por PIC

104

Figura 65. Conector DB-25

105

Figura 66. Oscilador con cristal

105

Figura 67. Control por PC

106

Figura 68. Puerto paralelo

107

Figura 69. Buffers

108

Figura 70. Conector de eyección(34 pines)

109

Figura 71. Circuito integrado 8255ª

110

Figura 72. programa de prueba de la tarjeta

110

Figura 73. Pantalla principal

112

Figura 74. Pantalla propiedades puerto

113

Figura 75. Pantalla de mensajes

114

Figura 76. Pantalla de sudmenú

114

Figura 77. Salida de información del puerto

116

LISTA DE TABLAS

Pág Tabla 1.

Clasificación de los robots según la AFRI

23

Tabla 2.

Clasificación de los robots industriales en generaciones

23

Tabla 3.

Clasificación de los robots según T.M. Knasel

24

Tabla 4.

Sistemas de transmisión para robots

32

Tabla 5.

Características de distintos tipos de actuadores para robots

34

Tabla 6.

Tipos de sensores internos

42

Tabla 7.

Integrantes de la familia PIC16F8X

64

Tabla 8.

Descripción de los patillas del PIC

67

Tabla 9.

Lista de materiales tarjeta de potencia

81

Tabla 10. Lista de materiales lógica tres estados

84

Tabla 11. nomenclatura de los sensores

85

Tabla 12. Lista de materiales

87

Tabla 13. Lista de materiales sensor óptico 1,2

89

Tabla 14. Lista de materiales sensor óptico 3

89

Tabla 15. posibles movimientos de la plataforma

91

Tabla 16. Tabla de verdad del Joystick Tabla 17. Direcciones, bits y pines del puerto

98 107

INTRODUCCIÓN

Según escritos la palabra robot fue usada por primera vez en el año 1921, cuando el escritor checo Karel Capek (1890-1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossum ‘s Universal Robot (R. U.R.).

Su origen proviene de la palabra eslava robota, que se refiere al trabajo realizado de manera forzada. Los robots de R.U.R. En menos de 30 años la robótica ha pasado de ser un relato de ciencia ficción, propio de la imaginación de algunos autores literarios, a una realidad imprescindible en el actual mercado productivo. Tras los primeros pasos, tímidos y de incierto futuro, la robótica experimentó gran auge, entre las décadas de los setenta y ochenta, llegando en los noventa a lo que por muchos ha sido considerado su mayoría de edad, caracterizada por una estabilización de la demanda y una aceptación y reconocimiento pleno en la industria.

Debido al creciente desarrollo de las empresas, se ha visto la necesidad de adquirir nuevas tecnologías que permitan manejar las tareas dentro de los procesos industriales con mayor facilidad, beneficio, precisión y rendimiento. Para eso busca la automatización de las tareas, con el fin de poder tener una mayor y mejor producción, por ende las universidades del país se han visto en la necesidad de contar con herramientas de entrenamiento en estas áreas para tener mejor competitividad académica.

En la misión de la Universidad Francisco de Paula Santander se define la universidad como una institución pública de educación superior que interpreta el contexto binacional en que se ubica, es factor determinante en el desarrollo regional mediante su interacción racional con el entorno, el uso apropiado de nuevas tecnologías y el fomento de valores a través del trabajo educativo continuo, investigativo y el servicio a la comunidad. Por ello, el Departamento de Sistemas e Informática ha creado dentro de sus grupos de investigación el grupo de Inteligencia Artificial y dentro de él la línea de Robótica.

Como uno de los proyectos del grupo de investigación de Inteligencia Artificial se ha planteado la Creación de un prototipo de automatización de procesos industriales empleando técnicas de Inteligencia Artificial, el cual incluye las siguientes etapas:

• Creación de un banco de programación en diferentes tecnologías • Propuesta pedagógica de relación docencia e investigación • Entrenador y simulador de Redes Neuronales Artificiales • Creación de un Lenguaje e Intérprete propio de la herramienta • Diseño de prototipo industrial

Aplicación de técnicas de tratamiento de imágenes y reconocimiento de patrones. El desarrollo de la primera etapa de la propuesta se cubre con el proyecto “DISEÑO DE UN BRAZO ROBOT CONTROLADO POR PC COMO HERRAMIENTA PARA EL LABORATORIO DE ROBÓTICA”, el cual cuenta con un robot didáctico (“ALDER II”), que se retoma del proyecto de grado realizado por Alvaro Buitrago Trillos titulado

"AUTOMATIZACION

DE

UN

BRAZO

ROBÓTICO

CONTROLADO

POR

MICROPROCESADOR"; ya que la construcción de un robot de este tipo demanda una gran inversión de tiempo, dinero, dificultad para la consecución de elementos y el dominio de otras áreas como mecánica y electrónica.

El proyecto busca que tanto estudiantes como docentes puedan contar con una herramienta de trabajo en la cual se realicen diferentes prácticas, en un ambiente mas real para áreas afines al campo de la robótica, programando los diversos movimientos del robot en diferentes tecnologías como PLC, microprocesador, microcontrolador y PC;

contando

además con un control manual, el cual facilita el estudio de las trayectorias a programar.

PROBLEMA

1.1 TITULO

“DISEÑO DE UN BRAZO ROBOT CONTROLADO POR PC COMO HERRAMIENTA PARA EL LABORATORIO DE ROBÓTICA”

1.2

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En 1996 se desarrolló un proyecto de grado titulado “AUTOMATIZACIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO POR MICROPROCESADOR”, realizado por el estudiante Alvaro Buitrago Trillos el cual dio inicio al desarrollo de la robótica en la U.F.P.S.

Algunas de las técnicas empleadas en dicho proyecto, como la programación en Lenguaje Ensamblador con el Microprocesador Z-80 y el movimiento en el eje x de la plataforma del brazo sujeta a un tornillo sin fin, en la actualidad han sido reemplazadas por nueva tecnología que ofrecen mayor velocidad de desplazamiento y precisión. A esto se le suma el abandono y deterioro en que se encontraba el proyecto por lo que no despertó el interés y la importancia requeridos para el desarrollo de esta área dentro de la universidad.

Recientemente se creo un espacio en la universidad para el laboratorio de robótica, el cual se pretende dotar para fortalecer el trabajo del grupo de investigación de Inteligencia Artificial.

Aunque se retomará el proyecto “AUTOMATIZACIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO POR MICROPROCESADOR ”, no se cuenta con las herramientas óptimas y necesarias para desarrollar prácticas que mejoren el proceso de aprendizaje, como tampoco se puede introducir en aplicaciones de técnicas de inteligencia artificial; por lo tanto es necesario construir elementos de trabajo para estos fines.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo General. Construir una herramienta de trabajo para el Laboratorio de Robótica empleando un brazo robot de tres grados de libertad como mínimo, controlado por PC, en la cual se podrían desarrollar diferentes practicas en el área de robótica.

1.3.2 Objetivos Específicos • Permitir una amplia área de movimiento a la base del robot, creando una plataforma móvil sin dependencia de un tornillo sin fin.

• Adaptar una interfaz física que permita el control del robot a través del computador.

• Diseñar un software que facilite la manipulación del robot por medio del computador.

• Proporcionar una base para futuros proyectos e investigaciones en el área de Robótica.

• Permitir que la herramienta realice una tarea especifica.

• La reparación y adecuación del robot existente para adaptarlo a la herramienta planteada.

1.4 JUSTIFICACIÓN

Uno de los grandes problemas presentes en las universidades de la región y aún del país es la falta de buenos grupos de trabajo investigativo y de recursos suficientes para dotar un buen ambiente de trabajo, debido a los altos costos de herramientas y materiales necesarios para su creación; por esto en la UFPS y específicamente en el Departamento de Sistemas e Informática se ha creado el Grupo de Investigación de Inteligencia Artificial. En la actualidad el laboratorio no cuenta con la dotación de los elementos necesarios para su correcto funcionamiento lo que limita el trabajo del grupo, impidiendo que los resultados sean más palpables.

Uno de los propósitos del

grupo es diseñar y construir diversos tipos de máquinas

robóticas, tanto para la industria como para el proceso de aprendizaje. Como no se cuenta

con los recursos necesarios, una solución planteada ante esta problemática es la construcción de diversas herramientas que permitan dotar el laboratorio.

Para lograr tal fin se plantea el proyecto del grupo titulado "Creación de un prototipo de automatización de procesos industriales empleando técnicas de Inteligencia Artificial" que fija las primeras bases con la realización del proyecto “DISEÑO DE UN BRAZO ROBOT

CONTROLADO

POR

PC

COMO HERRAMIENTA

PARA

EL

LABORATORIO DE ROBÓTICA” cubriendo la primera etapa " Creación de un banco de programación en diferentes tecnologías".

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES

1.5.1 Alcances • El diseño e implementación de un software que manipule el movimiento de un robot.

• Contar con una herramienta apropiada para el desarrollo de prácticas que faciliten la labor de aprendizaje en el área de Inteligencia Artificial y afines.

• Retomar el

proyecto “AUTOMATIZACIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO POR

MICROPROCESADOR ”, mejorando la velocidad de movimiento y aumentando el tiempo de trabajo continuo.

1.5.2 Limitaciones • Una de los mayores inconvenientes, es que el desarrollo del proyecto exige conocimientos de distintas disciplinas como

son la Mecánica, la Electricidad, la

Electrónica entre otras y en la formación del Ingeniero de Sistemas no se profundiza en estas áreas.

• En la actualidad existen un sin número de productos: brazos, tarjetas, sensores, motores, etc. Los cuales podrían facilitar y hacer más eficiente

el desarrollo y

funcionamiento del proyecto, que por sus costos elevado se hacen inasequibles para el desarrollo de proyecto.

2. FUNDAMENTOS DE ROBOTICA

2.1. INTRODUCCIÓN

La tecnología en los últimos años a dado gigantescos pasos y ha dado vida a muchos sueños del hombre; como el de llegar a la luna, poder recopilar información de otros planetas, el descubrimiento del genoma humano, la cura a muchas enfermedades, el computador y la robótica entre muchos otros avances tecnológicos.

El robot sin duda alguna, es uno de los inventos más populares del siglo XX, nacimiento se da en obras de teatro y en

su

novelas narradas por mentes cargadas de

imaginación y ficción. Desde esos momentos fue evolucionando vertiginosamente y en menos de 30 años hoy día se conoce la Robótica que se encarga del estudio y uso de robots.

El fuerte desarrollo que obtuvo la robótica no se da por las expectativas creadas por la ciencia-ficción o la curiosidad científica, sino por la creciente necesidad en la industria de perfeccionar y aumentar la producción.

2.2 DEFINICIÓN DE ROBOT

El término “Robot”, curiosamente es empleado antes de que existiera el primer robot, fue en los escenarios del teatro nacional de Praga en el año de 1.921, cuando el escritor Checo Karel Capek, uso este término por primera vez en el estreno de su obra Rossum’s Universal Robot(R.U.R.).

Figura 1. Robot de la obra R.U.R.

El origen etimológico del término proviene de la palabra Checa “Robota” que significa trabajo forzado. Los robots de R.U.S. eran máquinas androides creadas por un científico (Rossum) no de origen mecánico como los actuales sino creado por medios químicos, a partir de una “formula”, estos robots servían a sus dueños (humanos) hasta que un día se revelaron contra ellos, destruyendo toda la vida humana con excepción de uno de los creadores con la frustrada idea de que les enseñaran a reproducirse.

No existe una definición única y formal de Robot, la existencia de muchas definiciones y la diferencia entre la mayoría de ellas en pocas proporciones, resulta un poco confuso, por lo cual se da claridad de la existencia de dos mercados a escala mundial que dominan el campo de la robótica, los cuales son el mercado Euro-Americano y el Japonés. En Japón la clasificación de los robots es bastante amplia; un robot es cualquier dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinados a la manipulación, mientras que en Europa y América son mas estrictos, exigiendo un mayor grado de complejidad, en todo lo relativo al control.

Las definiciones de Robot por las agremiaciones más respetadas a nivel mundial, por su arduo trabajo en el tema son las siguientes:

Asociación de Industrias Robóticas (RIA). Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas.

Organización Internacional de Estándares (ISO). Un robot es un manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas.

Asociación sa de Normalización (AFNOR). Que define primero el manipulador y basándose en dicha definición el Robot:

Manipulador : Mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre sí, destinada al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivos lógicos.

Robot : Manipulador automático servocontrolado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos, terminados en una muñeca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otras sin cambios en su material.

Federación Internacional de Robótica (IFR) En su informe técnico ISO/TR 83737 (Septiembre de 1.988), distingue entre robot industrial de manipulación y otro robot. Por Robot Industrial de manipulación se entiende a una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en posición fija o en movimiento.

A la existencia de variadas definiciones de Robot se le suma el hecho que el término se tiende a confundir con “manipulador” o “autómata”, los cuales según el comercio EuroAmericano tienen un desarrollo paralelo pero en forma divergente partiendo desde un

mismo punto.

La diferencia más palpable entre manipulador y Robot es que el

manipulador precisa del mando continuo de un operador el cual es sustituido por un programa de computador en el robot.

a) Manipulador

a) Robot

b) Autómata

Figura 2. Manipulador, Robot y Autómata

El autómata es un instrumento o aparato que encierra dentro de sí el mecanismo que le imprime determinados movimientos, en otras palabras son mecanismos que funcionan en su totalidad o en partes por si solos, se puede decir que un robot es un autómata pero un autómata no es siempre un robot.

2.3 EVOLUCION HISTÓRICA DE LA ROBÓTICA

En el transcurrir del tiempo, el hombre ha estado fascinado con la construcción de máquinas y dispositivos capaces de imitar las funciones y movimientos de seres animados.

Uno de los términos empleados por los griegos para denominar a estas máquinas era: automatos. De donde se deriva la palabra actual autómata: máquina que imita la figura y movimiento de un ser animado.

Año 85 D.C. Herón de Alejandría. Crea mecanismos animados que realizan los movimientos a través de dispositivos hidráulicos, poleas, palancas con fines eminentemente lúdicos.

Siglo VIII al XV La cultura árabe hereda y difunde los conocimientos Griegos, empleándolos para crear mecanismos de diversión. Se introduce en la vida cotidiana de la realeza creando máquinas como dispensadores automáticos de agua. De este período existen otros autómatas famosos de los cuales no se tiene suficiente documentación como:

• El hombre de hierro de Alberto Magno (1.204 – 1.282). • La cabeza parlante de Roger Bacon (1.214 – 1.294). • El gallo de Estrasburgo de autor desconocido (1.352) Es el autómata más antiguo que en la actualidad se conserva; formaba parte de la torre de la catedral de Estrasburgo y en el momento de dar la hora movía las alas y el pico.

Siglo XV y XVI Los personajes más destacados del renacimiento se interesaron por las invenciones descritas y desarrolladas por los griegos.

1.921 El león mecánico de Leonardo Da Vinci (1.452 – 1.519). Construido para el Rey Luis XII de Francia, el león con su garra abría su pecho y mostraba el escudo de armas del rey.

1.525 El hombre de palo construido por Juanelo Turriano en el siglo XVI. Creado para el emperador Carlos V, el autómata con figura de monje, andaba y movía la cabeza, ojos, boca y brazos.

Siglo XVII y XVIII Se crearón ingenios mecánicos con algunas características que actualmente son empleadas en los robots, estos mecanismos fueron realizados por artesanos del gremio de la relojería.

Jacques Vaucanson (1.709 a 1.782) Creador del primer

telar

mecánico,

Construyo varias figuras animadas entre las que se destacan: • El flautista, capaz de interpretar varias melodías. • El Pato, creado en 1.738 y era capaz de graznar, beber, comer, digerir y evacuar la comida. • El tamborilero y muñecas mecánicas de tamaño humano.

Pierre Jaquet Droz (1.721 –1.790) y sus hijos

Henri-Louis

y

Jaquet

construyeron diversos muñecos que actualmente se conservan en el museo de arte de historia de Neuchastel, Suiza. 1970 Muñeco capaz de escribir. 1772 Muñeco capaz de dibujar. 1773 Muñeco capaz de tocar diversas melodías en un órgano.

Finales de siglo XVII e inicios de siglo IXX Fueron las necesidades de la industria textil las que promovieron el desarrollo de algunas ingeniosas invenciones mecánicas. 1770 La Hiladora Giratoria de Hargreaves. 1779 La Hiladora Mecánica de Crompton 1785 El Telar Mecánico de Cartwright 1801 El Telar de Jhoseph Jacquard Era una máquina que contaba con tarjetas perforadas para programar las acciones de estas.

Siglo XX Sin duda es en este período en que se usa por primera vez el término Robot y es donde el robot como tal encuentra su máximo desarrollo. Todo debido a la diversa gama de aplicabilidad en procesos industriales (ensamblado, soldadura, alimentación de máquinas, herramientas, etc.), especiales (brazos para lanzamientos y recuperación de satélites, vehículos de exploración lunar, robot para construcción y mantenimiento de hardware en el espacio), submarinas y subterráneas (exploración submarina, instalación y mantenimiento de

cables

telefónicos

submarinos,

limpieza

e

inspección

de

tuberías,

etc.),

militares(desactivación de bombas, robots centinelas experimentales dedicados a patrullar áreas críticas), médicos(prótesis robotizadas, sistemas de ayuda a discapacitados), agrícolas(sembrado y recolección de cosechas, robot para esquilar ovejas) y un extraordinario y largo etcétera.

1.945 Karel Capek (1.890 - 1.938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra robots universales de Rossum.

1.921 Thea Von Harbou, escribe la novela titulada “metrópolis” que prácticamente fue llevada al cine por su esposo Fritz Lang. Es una novela que narra sobre la masa obrera de una sociedad superindustrializada y de cómo es manipulada por un androide llamado María(figura 3).

Figura 3. Androide “Maria”

1.945 El escritor Americano de origen ruso Isaac Asimov (1.920 – 1.992) al que, se le atribuye la creación del término robotics (robótica), publicada en la revista Galaxy Science Fiction por primera vez en una historia sus tres leyes de la robótica. • Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni con su inacción permitir que un ser humano sufra daño. • Un robot ha de obedecer las ordenes recibidas de un ser humano, excepto si tales ordenes entran en conflicto con la primera Ley. • Un robot debe proteger su propia existencia mientras que tal protección no entre en conflicto con la primera o segunda Ley.

1.948 R.C. Goertz del Argonne National Laboratory desarrollo, el primer manipulador con el objetivo de manipular elementos radioactivos sin peligro para el operador.

Este

dispositivo consistía en un mecanismo maestro-esclavo. El mecanismo maestro era manipulado directamente por el operador desde un lugar seguro y el mecanismo esclavo que tenía o directo con el elemento radioactivo, repetía fielmente los movimientos del maestro, por medio de una interconexión física entre ellos.

1.952 El MIT (Massachusetts Institute of Technology) crea el primer prototipo de control numérico, para controlar una máquina fresadora de 3 ejes.

1.954 R.C. Goertz hizo de los avances tecnológicos en la electrónica y del servocontrol sustituyendo la transmisión mecánica por otra electrónica.

1.954 G. C. Devol, diseña su dispositivo para “transferencia programada de artículos”, la importancia de esta patente con respecto a otros similares, es que en posteriores esfuerzos por Devol para realizar la recopilación de otras patentes y la construcción de varios prototipos.

1.958 Ralph Mosher, ingeniero de la General Electronic desarrolla un prototipo denominado Handy-Man. Este mecanismo consistía en 2 brazos mecanismos teleoperados mediante un maestro del tipo denominado exoesqueleto.

1.956 Devol, pone en conocimiento a Joseph F. Engelberger (director de ingeniería de la división aeroespacial de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford Connecticut),

de su trabajo de “transferencia programada de archivos” iniciando a trabajar juntos en la utilización industrial de sus máquinas formando la Consolidated Controls Corporation que más tarde se convertiría en Unimation.

1.957 Se expide en el Reino Unido la primera patente (con el número 781465) de un dispositivo robótico, solicitada en marzo de 1.954 por el inventor británico C.W. Kenward.

1.960 Se crea Unimation (Universal Automation), firma fabricante de robot’s en EE.UU.

1.961 Unimation instala el primer robot industrial de la serie Unimate en un proceso de fundición por inyección en General Motors. La Ford Motor Company instala un robot Versatran para carga de prensas.

1.968

Comienza la robótica en Japón, la firma Kawasaki; firmaron acuerdos con

Unimation para construir robots tipo Unimate, acuerdos que duraron hasta 1.985. El crecimiento de la robótica en Japón aventajó en poco tiempo al mercado Americano gracias a Nissan y a la gran acogida que le dio el mercado Japonés.

1.972 Nissan crea la primera Asociación robótica del mundo, la Asociación de Robótica Industrial de Japón(JIRA).

1.973 La firma Sueca ASEA construyó el primer robot con accionar totalmente eléctrico, el robot IRB6; esta clase de accionamiento se ha ido implementando debido a su mayor fiabilidad, menor peso y tamaño y facilidad de control.

1.974 Se crea el Instituto Robótica de América (RIA), que en 1.984 cambia su nombre por el de Asociación de Industrias Robóticas, conservando las mismas siglas.

1.974 Se crea en la Universidad de Standford el lenguaje AL (Assembl y Language), basándose el lenguaje ALGOL. AL fué el punto de partida para otros lenguajes adoptados por fabricantes de todo el mundo.

1.976 Cineinnation Milacion introduce la función del T (Tool Central Point), permite al robot elegir la herramienta con la cual deberá realizar la

que

interpolación de

trayectorias.

1.978 Unimation introduce el PUMA (Programable Universal Machine), este modelo permaneció en el mercado hasta finales de los 90, con más de tres mil unidades instaladas en todo el mundo.

1.979 El profesor Makaino de la Universidad de Yamnashi de Japón desarrollo el concepto de robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm); que busca un robot con un número de grado de libertad (3 o 4), un costo limitado y una configuración orientada al ensamblado de piezas.

1.980 Se crea en la Universidad de Karlsrue el lenguaje IRDATA/SRL, uno de los intentos mas prolongados para la creación de un lenguaje universal para robots, adoptado por la norma Alemana VDI2863.

1.981 Se desarrolló en el Robotics Institute de la Universidad de Karnere Mellom el primer robot con accionamiento directo (DD, Direct-Drive); se eliminan las transmisiones mecánicas mejorando la precisión y prestaciones dinámicas del robot.

1.982 Avios Macel Dascualt (AMD) pionera en el uso de sistemas CAD, desarrolla CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) que incorporaba técnicas gráficas de 3D y facilidades para programar por control numérico.

1.983

BYG Sistems Ltda., saca al mercado GRASP, uno de los primeros sistemas

comerciales específicos para simulación y programación

off-lne.

1.984 Isaac Asimov en su novela robots e imperios publica una cuarta Ley, en la que antepone el bien común a la individual, conocida como la Ley cero; Un robot no puede lastimar a la humanidad o por falta de acción permitir que la humanidad sufra daño.

1.985 Control Techniques, saca al mercado el primer controlador digital estándar para motores de corriente continua.

1.995 Shrysler Corp. Se convierte en el primer fabricante de automóvil en implementar un sistema de fabricación virtual DMAPS (Digital Manufacturing Proccess Sistem Dassult Sistems) con el objetivo de unir las fases de diseño y fabricación del producto.

La evolución de los robots desde sus primeros pasos a crecido de manera vertiginosa. En un corto tiempo de investigaciones y desarrollo de la robótica, ha sido suficiente para que,

éstas máquinas se incorporen en las áreas productivas y todo tipo de industrias. Es tanta la utilidad que el robot le presta a la industria que actualmente no es aventurado asegurar que, es raro encontrar una línea de fabricación en serie en la que no halla un robot.

En la figura 4 muestra el espectacular aumento en el número de unidades instaladas en las últimas décadas, mostrando una predicción de 80.000 unidades instaladas en el mundo para el año 2.002.

Figura 4. Estadísticas

Japón es el país más robotizado, sólo en 1.998 contaba con 411.800 unidades instaladas, claro que también se debe al concepto que Japón tiene de robot; incluye a los manipuladores los cuales son diferenciados en el comercio Euro-Americano.

2.4. DEFINICIÓN DE ROBOT

De manera similar que existen diferentes definiciones para describir un robot, también existen discrepancias a la hora de clasificarlos.

La federación internacional de robótica (IFR) distingue entre cuatro tipos de robot: • Robot Secuencial.

• Robot de Trayectoria Controlable. • Robot Adaptativo. • Robot Telemanipulado.

Esta clasificación es similar en su mayor parte a la establecida por la Asociación sa de Robótica Industrial (AFRI).

TIPO

Tabla 1. Clasificación de los robots según la AFRI DESCRIPCION

A

Manipulador con control manual o telemando.

B

Manipulador automático con ciclos preajustados; regulación mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumático, eléctrico o hidráulico.

C

Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimiento sobre su entorno.

D

Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en función de éstos.

Mas simple y especificada es la clasificación realizada por Generaciones. Tabla 2. Clasificación de los robots industriales en generaciones GENERACIÓN DESCRIPCIÓN 1ª Generación

Manipulador con control manual o telemando.

2ª Generación

Manipulador automático con ciclos preajustados; Regulación mediante fines de carrera o topes; Control por PLC; accionamiento neumático, Eléctrico o hidráulico.

3ª Generación

Robot programable con trayectoria continua o punto a Punto. Carece de conocimiento sobre su entorno.

A continuación se muestra la clasificación propuesta por T.M. Kanacell es una interpretación para diversas generaciones de robots, dándole una vista futurista a nuevas generaciones. Tabla 3. Clasificación de los robots según T.M. Knasel Generación Nombre Tipo de Control Grado de Usos más movilidad frecuentes 1ª (1982) Pick & place Fines de Ninguno Manipulación, carrera, servicio de aprendizaje. máquinas. 2ª (1984) Servo Servocontrol, Desplazamiento Soldadura, trayectoria por vía. pintura. continua, progr. Codicional. 3ª (1989) Ensamblado Servos de AGV Ensamblado precisión, visión, tacto, prog. OffGuiado por vía. Desbarbado. line. 4ª (2000)

Móvil

Sensores inteligentes.

Patas Ruedas

5ª (2010)

Especiales

Controlados con Andante técnicas de IA Saltarín

Construcción Mantenimiento Uso militar Uso espacial

2.5 OTROS ROBOTS

Existen otras clases de robots que no entran en la clasificación de robots industrial como lo son los robots de servicio y los teleoperados.

2.5.1. Robot de Servicio: Dispositivo electromecánico móvil o estacionario dotado normalmente de uno o varios brazos, controlados por un programa y que están destinados a realizar tareas no industriales.

En esta definición se encontrarían los robots destinados a cuidados médicos, a la educación, domésticos, uso en oficinas, aplicaciones especiales, aplicaciones submarinas y agrícolas.

a) Domestico

b) Submarino

Figura 5. Robot de servicio

2.5.2. Robot Teleoperado: La NASA en el año de 1.978 define como robot teleoperado al dispositivo robótico con brazos manipuladores y sensores y cierto grado de movilidad, controlados remotamente por un operador humano de manera directa o a través de un ordenador.

2.6. ESTRUCTURA MECÁNICA

Físicamente un robot esta formado por una serie de mecanismos, que interconectados entre sí físicamente le permite el movimiento, éstos mecanismos son eslabones (ejes) consecutivos unidos entre sí por articulaciones formando una cadena, comúnmente uno de

sus extremos está fijo (llamado base), el otro extremo queda libre para fijarle el mecanismo con el que el robot desarrollara su labor.

Algunas características de la estructura del robot queda dependientes de las condiciones del trabajo a las que será sometido, su configuración, área (espacio) de trabajo, volumen de trabajo (pesos y masa a manipular) y alcance del robot.

La gran parte de las características de la mayoría de los robots recae sobre el brazo, que consta de los siguientes elementos. • Carcaza o chasis, generalmente formado por elementos de acero o aluminio. • Sistema de accionamiento de los ejes: actuadores, transmisiones, sensores de posición y velocidad. • Cableado, conectores, finales de carrera y otros elementos como topes mecánicos, compensadores

Figura 6. Estructura de un robot

A cada movimiento

independiente

que puede realizar

una

articulación

con

respecto a la anterior, se le denomina grado de libertad (GDL).

El movimiento de las articulaciones puede ser de desplazamiento, de giro o de la combinación de ambos, en la figura 7 se muestra los distintos tipos de articulaciones con su respectivo numero de GDL.

Figura 7. Tipos de articulaciones

En la práctica para posicionar y orientar el extremo del robot (comúnmente la pinza) de cualquier manera en el espacio, son requeridos 6 parámetros, 3 para definir la posición y 3 para definir la orientación. Esto requiere que se utilice como mínimo 6 grados de libertad. Existen robots con menos de 6 articulaciones pues son suficientes para realizar las tareas que se le asignaran.

2.6.1. Configuración de Robot.

Según la combinación de los diferentes tipos de

articulaciones en los primeros tres ejes del robot da paso a lo que se denomina configuración del robot, que tiene denominaciones universales aceptadas debido a su mayor

utilidad en la robótica industrial. Estas configuraciones son robot cartesiano, angular, polar, cilíndrico y ESCARA.

2.6.1.1. Configuración Cartesiana. Se compone de tres articulaciones (prismáticas o lineal) que le generan un movimiento lineal en los ejes, los cuales están perpendicularmente ubicados. Este tipo de configuración se emplea en aplicaciones que requiere

de

movimientos lineales de alta precisión y en áreas de trabajo planas.

a) Configuración

b) Robot

Figura 8. Configuración cartesiana

2.6.1.2. Configuración Cilíndrico.

Esta conformada por una combinación de

articulaciones RPP (Rotación, Prismática, Prismática), describiéndole un

a) Configuración

b) Robot

Figura 9. Configuración cilíndrica

movimiento de giro en la base y en los otros dos ejes movimientos lineales. El tercer eje esta posicionado de manera paralela a la base y de manera perpendicular al segundo. Su utilidad se da en aplicaciones en la que el robot se distribuya radialmente y el al punto deseado se realice horizontalmente.

2.6.1.3. Configuración Esférica o Polar.

Esta formada por una configuración 2RP

(Rotación, Rotación, Prismática), los dos primeros ejes son de giro y están posicionados perpendicularmente, el tercer eje tiene un movimiento lineal. Su utilidad esta en la operación de manejos de cargas, es muy importante que no precisen movimientos complejos.

a) Configuración

b) Robot

Figura 10. Configuración esférica

2.6.1.4. Configuración ESCARA. Se trata de una configuración con sus dos

a) Configuración

b) Robot

Figura 11. Configuración SCARA

primeros ejes rotacionales paralelos entre sí y con su tercer eje de movimiento lineal en posición paralela a los dos anteriores. Su utilidad generalmente se encuentra en operación de ensamblado o empacado y en casos a sustituido a los robots de configuración esférica y cilíndrica.

2.6.1.5. Configuración Angular o Antropomórfica.

Está formado por tres ejes

rotacionales con los dos últimos paralelos entre sí y estos dos de forma perpendicular al primer eje. Presenta una gran maniobrabilidad y accesibilidad a zonas con obstáculos.

a) Configuración

b) Robot

Figura 12. Configuración angular

2.7. TRANSMISIONES

Son los elementos o mecanismos encargados de transferir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Estos elementos son diseñados con el ánimo de repartir uniformemente en la estructura, en forma reducida. Los sistemas de transmisión tienen las siguientes funciones: • Transmisión del movimiento desde al actuador a la articulación del eje correspondiente. • Transformación del movimiento circular en lineal o viceversa.

• Reducción de la velocidad aumentando la fuerza de giro (par motor).

Los sistemas de transmisión introducen efectos indeseables en los movimientos del robot, estos efectos se dan debido a juegos y holguras, fricciones, deformaciones elásticas y posibles desalineamientos. Es de esperar que un buen sistema de transmisión debe cumplir con una serie de características mínimas como: • Alta relación de transmisión junto con momento de inercia y tamaño reducido. • Bajo peso. • Juego angular mínimo. • Alta rigidez torsional. • Larga vida en funcionamiento continuo con pares elevados y mantenimiento mínimo. • Transmisión a distancia.

Correas y poleas dentadas

Los bujes de sujeción

Juntas universales cardan y conjuntos telescòpicos

Acoplamiento elásticos rígidos a torsión sin fuego

Rótulas y articulaciones

Reenvíos de ángulo

Correas y poleas dentadas

Limitadores de par sin juego

Correas y poleas dentadas

Figura 13. Sistemas de transmisión

Aunque no existe un sistema de transmisión específico para robots, si se emplean algunos con mayor frecuencia, que se recopilan y se clasifican en la tabla 4.

Tabla 4. Sistemas de transmisión para robots Entrada-Salida Denominación Ventajas Inconvenientes

Circular – Circular

Circular-Lineal

Lineal- Circular

Engranaje Correa dentada Cadena Paralelogramo Cable

Pares altos Distancia grande Distancia grande

Holguras --Ruido Giro limitado Deformabilidad

Tornillo sin fin Cremallera

Poca holgura Holgura media

Rozamiento Rozamiento

Paral. Articulado Cremallera

--Holgura media

Control difícil Rozamiento

Se incluirán junto con los sistemas de transmisión a los reductores; encargados de adaptar el par y la velocidad de salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de las articulaciones del robot.

2.7.1. Accionamiento Directo: Se puede decir que el accionamiento directo (Direct Drive, DD) es la carencia del sistema de transmisión, en el movimiento de una articulación del robot, pues es cuando el actuador se conecta directamente a la carga o articulación. Las principales ventajas que ofrece la utilización de accionamiento directo son: Posicionamiento rápido y preciso. Aumento de las posibilidades de controlabilidad a costo de mayor complejidad. Simplificación del sistema mecánico.

El principal inconveniente al aplicar este accionamiento radica en el motor, debe ser uno que proporcione un par elevado (unas 50 a 100 veces mayor que un reductor) a bajas revoluciones manteniendo la máxima rigidez posible.

2.8 ACTUADORES

Son los dispositivos que generan el movimiento de cada eje del motor, de acuerdo con las ordenes del sistema de control. Se recomienda que estos dispositivos se coloquen lo mas cerca posibles de la base del robot, pues los pares estáticos que deben vencer dependen directamente de la distancia de la masa al actuador.

Los actuadores que particularmente se emplean en la robótica, se clasifican según la energía que requieren para su funcionamiento esta puede ser neumática, hidráulica o eléctrica. Cada clase presenta unas características propias, las cuales hay que tener en cuenta al seleccionar el tipo de actuador más apropiado.

Las características más comunes son: • Potencia. • Controlabilidad. • Peso y volumen. • Precisión. • Velocidad. • Mantenimiento.

• Costo. Tabla 5. Características de distintos tipos de actuadores para robots Neumático Hidráulico Eléctrico Energía

Opciones

Ventajas

Desventajas

Aire a presión (5-10 bar)

Aceite mineral (50-100 bar)

Cilindros Motor de paletas Motor de pistón

Cilindros Corriente continua Motor de paletas Corriente alterna Motor de pistones axiales Motor paso a paso

Baratos Rápidos Sencillos Robustos

Dificultad de control continuo, Instalación Especial (compresor, filtros), Ruidoso

Rápidos Alta relación potenciaPeso Autolubricantes Alta capacidad de carga Estabilidad frente a cargas estáticas. Difícil mantenimiento Instalación especial (filtros, eliminación aire) Frecuentes fugas Caros

Corriente eléctrica

Precisos Fiables Fácil control Sencilla instalación Silenciosos

Potencia limitada

2.8.1. Actuadores Neumáticos: Son dispositivos que usan como fuente de energía el aire, a presiones entre 5 y 10 Bar. Los actuadores neumáticos más empleados en la robótica son los cilindros y los motores (de aleta rotativas o de pistones axiales).

Debido a que el aire es un fluido altamente comprensible, se hace difícil un control preciso tanto de la velocidad como de la posición (comúnmente no permite posicionamiento intermedio), que depende directamente de la carga que debe soportar el eje. Por otra parte esta misma propiedad evita los daños que pueden ocasionar una posible sobrecarga.

a) Cilindros

b) Motores

Figura 14. Actuadores neumáticos

2.8.2. Actuadores Hidráulicos: Este tipo de actuadores usa como fuente de energía aceites minerales a unas presiones comprendida entre los 50 y 100 bares, llegando en ocasiones a superar los 300 bar.

También existen como en los actuadores neumáticos; actuadores cilíndricos y motores. El grado de comprensibilidad de los aceites usados es considerablemente inferior al del aire, por lo que la precisión es mayor y por tal motivo es más fácil realizar un control continuo (haciendo uso de servocontrol), permite posesionar su eje en un rango de valores con notable precisión. Además las elevadas presiones de trabajos, permiten desarrollar elevadas fuerzas, pares y capacidad de carga.

Estos actuadores presentan inconvenientes como la existencia de fugas de aceite a lo largo de la instalación (por presiones elevadas), el requerimiento de equipos de filtrado de partículas, eliminación de aire, sistemas de refrigeración y unidades de control de distribución.

b) Motores

a) Cilindros Figura 15. Actuadores hidráulicos

2.8.3. Actuadores Eléctricos: Estos usan como fuente de energía la electricidad, sus características de control, sencillez y precisión ha hecho que sean los mas usados en los robots industriales actualmente. Dentro de los actuadores eléctricos se distinguen 3 tipos: • Motores de corriente continua (DC o CC). • Motores de corriente alterna (AC). • Motores paso a paso

a) Estator

a) Rotor

Figura 16. Estructura de un motor

Los motores tienen una variedad de características y propiedades que requieren de un estudio mas profundo. El motor básicamente esta compuesto por estator y rotor como se puede apreciar en la figura 16.

2.8.3.1 Motores de Corriente Continua(DC). Antes de explicar el funcionamiento de motores DC, se debe tener claro que es la corriente continua; es la que tiene una polaridad fija(+,-), definida por la fuente de alimentación. Al representar en una gráfica la señal producida por la corriente continua, se obtendrá una línea recta, pues al transcurrir el tiempo, el voltaje no sufre ninguna variación como lo muestra la figura 17.

Los motores DC están formados por dos devanados (bobinas) internos, inductor e inducido que se alimentan con corriente continua.

Ι a ) Se ñ a l

+

R

-

b) Polaridad en un circuito

Figura 2.17 Corriente continua

El inductor también denominado devanado de excitación, esta situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija(en ocasiones imanes naturales).

El inducido situado en el rotor, hace girar el mismo debido a la fuerza de Lorentz que aparece como combinación de la corriente continua que circula por el y el campo magnético de excitación. Este devanado recibe la corriente del exterior através del colector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito.

Para producir el giro de manera continua del motor, es necesario que los campos magnéticos del estator(inductor) y del rotor(inducido) permanezcan estáticos entre sí. El colector de delgas es un conmutador sincronizado con el rotor encargado de que se mantenga el ángulo relativo entre el campo del estator y el creado por las corrientes rotoricas este tipo de funcionamiento se conoce con el nombre de autopilotado.

Existen dos formas típicas de control para un motor DC, control por excitación y control por inducido. En el caso de control por inducido, la alimentación(suministro de energía, fuente) del inductor se mantiene constante, mientras que la alimentación del inducido la utilizamos para controlar la velocidad de giro. En el control por excitación se realiza de manera contraria.

a) control por excitación

b) control por inducido

Figura 18. Control de motores DC

En el estudio de ambos tipos de control, se obtiene que la relación entre tensión de control y velocidad de giro(función de transferencia), en los controles por inducido responden a un sistema de primer orden, mientras que en los controles por excitación, esta relación es de segundo orden(Ver figura 18).

2.8.3.2 Motores de corriente alterna (AC). Antes de continuar se debe aclarar que la corriente alterna carece de una polaridad definida, efecto que se debe a la inestabilidad(variaciones) en el voltaje a lo largo del tiempo, como se puede apreciar en la figura 19. El nombre de corriente alterna se le da por el hecho de que la diferencia de potencial entre sus dos polos(Fase, Neutro) varia entre voltajes positivos y voltajes negativos. Haciendo una comparación con CC, se puede decir que la polaridad(+,-) se invierte constantemente.

-+

+ +a) Señal

Ι

-+

+

+

R

-

b) Polaridad en un circuito

Figura 19. Corriente alterna

Existen dos tipos de motores AC los sincrónicos y los asincrónicos : • Motores sincrónicos; es cuando los motores giran a la misma velocidad del campo magnético. • Motores asincrónicos; es cuando el motor gira a menor velocidad que la del campo magnético.

Los motores AC no habían tenido aplicación en el campo de la robótica hasta hace unos años, debido a la dificultad de control, claro que las mejoras que han tenido los motores sincrónicos, hace que se presente como un claro competidor de los motores DC, esto principalmente a tres características.

• La construcción de rotores sincrónicos sin escobillas. • Uso de convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia (y así la velocidad de giro) con facilidad y precisión. • Empleo de la microelectrónica que permite una gran capacidad de control.

El inductor se sitúa en el rotor y esta constituido por imanes permanentes, mientras que el inducido, situado en el estator está formado por tres devanados iguales decalados 120 grados eléctricos y se alimentan con un sistema trifasico de tensiones.

2.8.3.3 Motores paso a paso. Los motores paso a paso son alimentados con CC. Existen motores paso a paso de imanes permanentes, híbridos y de reluctancia variable. La señal de control en este tipo de motores, consiste en un tren

de

pulsos

que

van actuando

rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos sobre el estator. El principio de funcionamiento

B1

B2 Motor

Estator

B3 B4

Rotor

Figura 20. Motor paso a paso

consiste en el que, al suministrar un pulso de corriente al estator (un electroimán), el motor gira un determinado ángulo(paso). El ángulo de giro del motor se controla con el numero de pulsos suministrados(el numero de electroimanes activados al mismo tiempo) y su velocidad por la frecuencia de los pulsos.

2.9 SENSORES

Para que un robot pueda ejercer su labor con el menor margen de error posible, se requiere de dotarlo de elementos que puedan generar información tanto de sus articulaciones como del medio que lo rodea(si son necesarios para su labor), estos elementos son sensores o transductores. En la tabla 6 se resumen los sensores más comunes empleados para obtener información de presencia, posición y velocidad en los robots industriales.

2.9.1 Sensores de Posición. Son elementos para indicar o detectar cual es la posición de la articulación del robot en el espacio permitido para su movimiento. Para el control angular se emplean fundamentalmente, se emplean los encoders(ver figura 21) y resolvers, para control lineal se destaca el transformador diferencial de variación lineal(LVDT)

2.9.2 Sensores de Velocidad.

Estos dispositivos son los empleados para captar la

velocidad, con ánimo de mejorar el comportamiento dinámico de los actuadores del robot. La información de la velocidad de movimiento de cada actuador se realimenta normalmente a un bucle de control(análogo o digital) implementado en el propio actuador.

Tabla 6. Tipos de sensores internos

Presencia

Inductivo Capacitivo Efecto hall Célula Reed Óptico Ultrasonido o

Analógicos

Potenciómetros Resolver Sincro Inductosyn LVDT

Digitales

Encoders absolutos Encoders incrementales Regla óptica

Posición

Velocidad

Tacogeneratriz

Figura 21. Sensor encoder

2.9.3 Sensores de Presencia. Este tipo de dispositivos son empleados para detectar la presencia de un objeto dentro de un radio de acción determinado. Esta detección puede hacerse con o sin o físico con el objeto. En el caso de detección sin o se utilizan diferentes principios físicos para detectar la presencia, dando lugar a los diferentes tipos de captadores.

En caso de o, se trata casi siempre de interruptores

normalmente abiertos o normalmente cerrados

según

interese.

Los detectores de

presencia se utilizan en la robótica principalmente como auxiliares de los detectores de posición, para indicar los limites de movimiento de las articulaciones.

2.10 EFECTO TERMINAL

Figura 22. Algunas pinzas

Estos elementos son también llamados efectos finales(end effector), son los encargados de interactuar con el entorno del robot. Pueden ser elementos de aprehensión o herramientas. Estos elementos no se pueden adaptar a diversas funciones, pues en muchos casos son especialmente diseñados para cada tipo de trabajo.

Los elementos de sujeción se utilizan para agarrar y sostener los objetos y se suelen denominar pinzas. En la elección o diseño de una pinza se han de tener en cuenta diversos factores, como el peso, la forma, el tamaño del objeto y la fuerza que es necesaria para sujetar y sostener el objeto.

3. EL CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE (P.L.C)

Existen un sin número de marcas y modelos de P.L.C. pero el que se empleo en este proyecto es con los que actualmente cuenta la universidad que son

FP0 de la casa

fabricante NAIS.

3.1 QUÉ ES NAIS / AROMAT CORPORATION?

NAIS / AROMAT

CORPORATION es una filial de la empresa MATSUSHITA

ELLCTIRIC WORKS

LTD. (MEW), miembro de la multinacional MATSUSHITA

GROUP fundada en 1974, NAIS / AROMAT cuenta con dos modernas fábricas ubicadas en

San José (California) y Forest Grove (Oregon), una oficina principal

en New

Providence (New Jersey), tres centros de distribución y nueve oficinas de ventas en los Estados Unidos y Canadá, actualmente, NAIS / AROMAT cuenta con tres distribuidores autorizados para América Latina en México, Brasil y Colombia (SINCRON DISEÑO ELECTRÓNICO LTDA.)

Los Controladores Programables NAIS - AROMAT en todas sus familias, son equipos de alta confiabilidad, modularidad,

versatilidad, y de fácil programación mediante

computadoras IBM o compatibles, o através de un Terminal de Programación manual (Hand Held). Esto los hace ideales para aplicaciones Industriales.

Una de las principales características de los PLC¨s NAIS es la utilización de módulos de comunicación (C-NET) que permiten crear fácilmente una RED entre diferentes modelos de PLC¨s NAIS.

A través del software (FP-Soft), se puede realizar un monitoreo en tiempo real de todo el funcionamiento del programa sin necesidad de detener el proceso; esto lo hace ideal para el depuramiento y detección de errores tanto, durante la programación, como en la ejecución.

Adicionalmente la familia NAIS permite hacer Intercambio Dinámico de Datos (DDE) entre el PLC y cualquier software desarrollado para Windows que posea esta función. Con este Intercambio, por ejemplo, se pueden supervisar los estados de las variables de entrada o de salida, tener gráficas dinámicas de un temporizador o una entrada análoga. Realizar cálculos complejos desde un programa, como la hoja de cálculo EXCEL, VISUAL BASIC, cte.

3.2

INTRODUCCIÓN

A

LOS

CONTROLADORES

LÓGICOS

PROGRAMABLES PLC

3.2.1

Qué es un PLC?. La National Electrical Manufactures Associatíon (NEMA) tiene

la siguiente definición:

Un Controlador Lógico Programable (PLC) es un dispositivo electrónico digital que utiliza una memoria para almacenar instrucciones e implementar funciones específicas de lógica, secuencia, temporizado, conteo y aritmética para controlar máquinas y procesos.

A diferencia de máquinas de Control Numérico (NC) y Control Numérico por Computador (CNC) donde se controla posición, el PLC se utiliza para controlar secuencias.

Las características inherentes de un PLC son: • Fabricación robusta y empleo de componentes de estado sólido para • soportar Ambientes industriales. • No existen partes mecánicas en movimiento, lo que evita el mantenimiento. • No requiere de un conocimiento de microprocesadores o computadores • Por parte del .

Antes del desarrollo de los PLC, el debía diseñar, construir, cablear y probar es de relés (lógica cableada ) para efectuar control sobre dispositivos o procesos. Cualquier modificación en la lógica de os involucraba diseño, recableado y prueba. Posteriormente el uso del PLC, requería sólo la modificación de un programa (lógica programada) para adaptarse a los requerimientos del proceso, aun después de haberse efectuado el cableado inicial. En los últimos años, los PLC Y han aumentado enormemente su alcance y han demostrado muy buenos resultados en el control supervisorio, manejo de recetas, interfaz de operador eficientes, capacidad de reportes y una fuerte orientación análoga.

3.2.2

VENTAJAS DEL PLC. Las condiciones favorables que prescribe un PLC son

las siguientes: • Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:

• No es necesario dibujar el esquema de os. • No es necesario simplificar ecuaciones lógicas,

ya que, por lo general

la

capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.

• La lista de materiales correspondiente se elimina

queda muy reducida, y al elaborar el parte del problema

presupuesto

supone el contar con diferentes

proveedores, distintos plazos de entrega, etc.

• Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos • Mínimo espacio en la ocupación. • Menor costo de mano de obra en la instalación. • Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar os móviles, los mismos PLC´S pueden detectar e indicar averías. • Posibilidad de gobernar varias máquinas con un sólo PLC. • Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio. el PLC sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.

3.3 CAMPOS DE APLICACIÓN DEL PLC

El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplia continuamente este campo

para poder satisfacer las necesidades que se detecten en el espectro de sus posibilidades reales.

Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones donde es necesario realizar procesos de maniobra, control. Señalización, etc. Por tanto, su aplicación abarca desde

procesos fabricación

industrial de cualquier tipo al de transformaciones

industriales, control de instalaciones, etc.

Como ejemplos de aplicaciones generales se tienen entre otras: • Maniobra de maquinaria industrial del mueble y madera • Maniobra de maquinaria en procesos de arena, grava y cemento. • Maniobra de máquinas — herramientas complejas. • Maniobra de máquinas de ensamblaje • Procesos textiles y de confección. • Procesos de dosificación.

3.4 ARQUITECTURA INTERNA DEL PLC

Los PLC´s se componen de tres bloques las cuales son:

• Sección de entrada • Unidad Central de Procesos(U) • Sección de salidas

Existen otras partes que hacen parte del control lógico programable como lo son: • Fuente de alimentación (120/220 V AC funcionamiento interno 12 a 24 VDC.) • Area de interfaces (dispositivos de programación para el ) • Area de memoria(sección de almacenamiento de información) • La memoria de programa del sistema(ROM) • La memoria de datos(RAM) • La memoria de o de trabajo(HD)

3.5 ARQUITECTURA DE LAS ENTRADAS Y SALIDAS DIGITALES DE LOS PLC’S NAIS

Estos PLC’S se distinguen por utilizan la letra X como inicial para las entradas físicas y Y para distinguir las salidas físicas. Así, se tienen las entradas X0, X1, X2…. Xn y las salidas YO, Y1, Y2...Yn. Donde n es el número de la entrada o salida correspondiente. Este subíndice esta siempre en sistema Hexadecimal. Por ejemplo : X0, X1, X2, ………..XA, XB…..XF, etc.

Arquitectura básica de una entrada del FPO : Las entradas Del FPO están acopladas al circuito interno por medio de un óptoacoplador y un filtro RC que previene errores de operación debido a los cambios de os de entrada o ruidos que puedan entrar por la lírica. Estas entradas presentan internamente dos diodos emisores de luz en contraposición, permitiendo que la entrada funcione, sin importar su polaridad.

Arquitectura de una salida del FPO : Para la salida por relé, el circuito de salida física del FP0 posee un relé de la forma normalmente abierto, con sus dos os conectados a la bornera de salidas del PLC. Como se puede observar en la siguiente figura, las salidas YO y Y1 comparten un mismo punto común, mientras que Y2 y Y3 tienen son dos puntos comunes. Tanto para las entradas como para las salidas N.C. = No conectar.

3.6

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LA U

Una vez que un programa haya sido elaborado por el y éste haya sido transferido a la memoria del PLC. Éste último se encuentra listo para ejecutar dicho programa. Mediante éste, el PLC responderá a los estímulos ocurridos en las entradas externas para controlar el proceso físico en cuestión.

Para ejecutar el programa residente en la mormona del PLC.

Éste dispone de un

interruptor (RUN / PROG) que inicia la ejecución del programa de . Una vez que el interruptor haya sido colocado en la posición RUN, el PLC ejecutará el programa de manera indefinida, hasta que sea desconectado de la fuente de alimentación o bien hasta que interruptor sea colocado nuevamente en la posición PROG para urna nueva sesión de programación.

3.7 PROGRAMACIÓN DE LOS CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES NAIS

La programación de los PLC´s NAIS es realizada de dos formas : mediante un programador manual o mediante un computador personal, a través de un software especial llamado FPSOFT.

Estos PLC pueden ser programados utilizando un Lenguaje Booleano o a través de un lenguaje simbólico llamado Lenguaje Ladder. Cuando se utiliza el programador manual o hand — held como consola de programación. Ésta es efectuada en lenguaje booleano y las instrucciones son ingresadas secuencialmente por el programador.

Cuando se utiliza el software FPSOFT, a través del PC, corno consola de programación, el programa puede ser hecho de ambas formas: con lenguaje booleano o lenguaje ladder. Esta ultima es una forma muy práctica de programación ya que brinda al una interfaz gráfica mediante la cual. Este puede elaborar el programa de una manera muy similar a lo que haría sí estuviese dibujando el diagrama de os dei proceso en cuestión. La función del software es pues traducir todos esos símbolos que son entendibles para el , a un lenguaje que el PLC pueda reconocer y que pueda producir los resultados esperados por el programador.

El Lenguaje Ladder utiliza una simbología simular a la de los diagramas de os usados en los diagramas esquemáticos de los tableros de control en las industrias. Estos símbolos tiene una equivalentes con otras normas y métodos de programación.

4. EL MICROPROCESADOR

Al igual que el P.L.C el microprocesador que se empleó es con el que la universidad cuenta actualmente en los laboratorios de electrónica los cuales son 8086/8088.

4.1 MICROPROCESADOR 8086/8088

El microprocesador es uno de los logros más sobresalientes del siglo XX. Esas son palabras atrevidas, y hace un cuarto de siglo tal afirmación habría parecido absurda. Pero cada año, el microprocesador se acerca más al centro de nuestras vidas, forjándose un sitio en el núcleo de una máquina tras otra. Su presencia ha comenzado a cambiar la forma en que percibimos el mundo e incluso a nosotros mismos. Cada vez se hace más difícil pasar por alto el microprocesador como otro simple producto en una larga línea de innovaciones tecnológicas.

Ninguna otra invención en la historia se ha diseminado tan aprisa por todo el mundo o ha tocado tan profundamente tantos aspectos de la existencia humana. Hoy existen casi 15,000 millones de microchips de alguna clase en uso (el equivalente de dos computadoras poderosas para cada hombre, mujer y niño del planeta). De cara a esa realidad, ¿quién puede dudar que el microprocesador no sólo está transformando los productos que usamos, sino también nuestra forma de vivir y, por último, la forma en que percibimos la realidad?

No obstante que reconocemos la penetración del microprocesador en nuestras vidas, ya estamos creciendo indiferentes a la presencia de esos miles de máquinas diminutas que nos encontramos sin saberlo todos los días. Así que, antes de que se integre de manera demasiado imperceptible en nuestra diaría existencia, es el momento de celebrar al microprocesador y la revolución que ha originado, para apreciar el milagro que es en realidad cada uno de esos chips de silicio diminutos y meditar acerca de su significado para nuestras vidas y las de nuestros descendientes.

4.1.1

Unidad Central de Procesamiento (U). La Unidad de Procesamiento Central

(U) es donde se manipulan los datos. En un microcomputador, el U completo está contenido en un chip muy pequeño llamado microprocesador. Todas las U tienen por lo menos dos partes básicas, la Unidad de Control y la Unidad Aritméticológica. Todos los recursos del computador son istrados desde la unidad de control, cuya función es coordinar todas las actividades del computador. La unidad de control contiene las instrucciones de la U para llevar a cabo comandos. El conjunto de instrucciones, que está incluido dentro de los circuitos de la unidad de control, es una lista de todas las operaciones que realiza la U. Cada instrucción en el conjunto de instrucciones es acompañado por un microcódigo, que son instrucciones muy básicas que le dicen a la U cómo ejecutar las instrucciones. Cuando el computador corre un programa, busca los comandos del programa dentro del conjunto de instrucciones de la U y las ejecuta en orden. La Unidad Aritmético-Lógico (ALU)es cuando la unidad de control encuentra una instrucción que involucra aritmética o lógica, le pasa el control al segundo componente de la U. La ALU incluye un grupo de registros, es decir, memoria construida directamente

en la U que se usa para guardar datos que están siendo procesados por la instrucción actual.

La U de un computador contiene la inteligencia de la máquina; es donde se realizan los cálculos y las decisiones. El complejo procedimiento que transforma datos nuevos de entrada en información útil de salida se llama procesamiento. Para llevar a cabo esta transformación, el computador usa dos componentes: el procesador y la memoria. El procesador es el cerebro del computador, la parte que interpreta y ejecuta las instrucciones. El procesador casi siempre se compone de varios circuitos integrados o chips, estos están insertados en tarjetas de circuitos, módulos rígidos rectangulares con circuitos que los unen a otros chips y a otras tarjetas de circuitos.

El microprocesador moderno contiene unos 20 millones de transistores y cada chip terminado es el producto de procesos más complicados que los que se utilizaron en el Proyecto Manhattan para construir la bomba atómica. Y no obstante, pese a un proceso de manufactura extraordinariamente refinado, los microchips se producen en volumen a razón de más de 1,000 millones de unidades por año. Para poner esta complejidad en perspectiva, imagínese que dentro de cada microprocesador diminuto existe una estructura tan compleja como una ciudad de tamaño mediano, incluidas todas sus líneas de energía eléctrica, líneas telefónicas, líneas de drenaje, edificios, calles y casas. Ahora imagine que en esa misma ciudad, millones de personas se desplazan a la velocidad de la luz y con la sincronización perfecta en una danza de coreografía muy complicada.

Y eso es tan sólo un chip. De todas las estadísticas asombrosas que se utilizan para describir el mundo del microprocesador, ninguna es más extraordinaria que ésta: el número total de transistores que integran todos los microchips que se producirán en el mundo este año es equivalente al número de gotas de lluvia que caerán en California durante ese mismo período.

4.1.2 8088 / 8086. En 1975 Intel decidió ponerse manos a la obra para construir su primer micro de 16 bits que salió al mercado en 1978. Se trataba del 8086, que definió el inicio de su gama de productos más famosa, la familia de microprocesadores x86.

La longitud de los registros del 8086 era de 16 bits (de ahí su denominación de 16 bits), había versiones que funcionaban a 4.77 y 8 MHz, tenía un bus de datos de 16 bits y un bus de direcciones de 20 bits, lo que le permitía acceder a un máximo de memoria de 1 Mb según el cálculo 2 elevado a 20. Seguidamente, en 1979, Intel sacó el 8088, que en contra de lo que podamos pensar no es mejor que el 8086. La diferencia era sustancial; el bus de datos era de 8 bits (la mitad). Este paso hacia atrás estuvo provocado por el estado de la industria de la época. Utilizar un bus de datos de 16 bits suponía forzar al mercado a desarrollar para 16 bits lo que implicaba un incremento en los costes de desarrollo de controladores de periféricos y memorias. El síntoma fué que Intel se había adelantado a su época. Los japoneses, aprovechando la ocasión y dando fe a su fama de copiones fabricaron unos clónicos de los 8086 y 8088. Fue NEC la que, por procedimientos de ingeniería inversa, sacó el diseño de estos micros y creó sus modelos V20 y V30, que incrementaban el rendimiento respecto a los de Intel en un 10-30 por ciento. Como os podréis imaginar Intel

demandó a NEC, pero perdió el juicio. La Justicia determinó que el microcódigo del chip podía registrarse pero Intel no había marcado en el chip el símbolo del copyright, con lo cual perdía los derechos de copia.

Se encuentra un error de diseño en el 8088 que afecta a la gestión de interrupciones y al registro de pila SS (Stack Segment). Intel fabricó variaciones de estos modelos, sacando al mercado los 80C86, 80C88, 80186 y 80188 cuyas modificaciones fueron el ahorro de energía en las versiones C para su instalación en portátiles, y el rediseño interno para la optimización en las versiones 1.

4.1.3 Memoria de Micro Programa: Es una memoria de alta velocidad que contiene la secuencia de operaciones elementales que componen cada instrucción. Es el núcleo del procesador, ya que de su contenido depende como responderá el mismo a los distintos códigos de instrucciones. La cantidad de locaciones oscila entre 500 y 4000 y el ancho de palabra entre 32 y 100 bits.

Figura 23. Unidad de control micro programada

4.1.4

Secuenciador: es el encargado de direccionar la memoria de micro programa

(control store) basándose en el contador de micro programa MPC (Micro Program Counter). El MPC es un registro que se incrementa con un reloj interno, pero que depende de los registros de estado e instrucción y de algunos bits del registro de micro palabra. Ante determinadas situaciones toma valores preestablecidos (RESET, INTERRUPT, HOLD, etc.)

4.1.5 Registro de Estado: Proviene de la unidad aritmética y lógica y refleja el estado (status) de los indicadores (flags) luego realizar una operación (CARRY, ZERO, OVERFLOW, etc.). Su contenido es tenido en cuenta por el secuenciador cuando la instrucción en curso es un salto condicional.

4.1.6

Registro de Instrucción: Es el código de operación de la instrucción actual.

Interviene en la fijación del valor del contador de micro programa dependiendo de la descodificación de la instrucción y del modo de direccionamiento.

4.1.7 Registro de Micro Palabra: Retiene la micro instrucción que el secuenciador direccionó sobre la memoria de micro programa y asigna bits en posiciones preestablecidas para dos objetivos principales: el control del "camino de los datos" (data path) para habilitar multiplexores, buffers y seleccionar la operación lógica en la ALU y por otra parte el control del secuenciador en función de los bits de micro bifurcación, que intervienen en instrucciones de salto (jump).

4.1.8

Camino de los Datos: está compuesto por los registros de uso general, la unidad

aritmética y lógica y la interfaz al bus.

4.1.9 Registros de Uso General: Incluyen los registros del modelo programable (los que ve el programador en assembl y) y otros internos que intervienen como temporarios (temporary ) en operaciones complejas, como por ejemplo la multiplicación.

4.1.10

Unidad Aritmética y Lógica: En ella reside la capacidad de procesador para

efectuar operaciones lógicas elementales (AND, OR, INCREMENTO, COMPLEMENTO, etc.) sobre los datos que los multiplexores de registros colocan en cada una de sus "piernas", almacenando el resultado en otro registro. La cantidad de bits que la ALU puede manejar a la vez determina el ancho de palabra de la unidad de control que se está diseñando, por ejemplo, una ALU de 16 bits podrá sumar dos datos de 16 bits cada uno.

4.1.11 Interfaz al Bus: con este registro, habilitado por la micro palabra, se representa en forma esquemática la interfaz entre el procesador y el mundo exterior y a partir de aquí se formarán los buses de datos, direcciones y control.

4.2 COMPARACIÓN DE AMBAS TÉCNICAS

El gráfico de la figura 24, representa en abcisas la complejidad de un circuito (cantidad de instrucciones, modos de direccionamiento, ancho de palabra, etc.) y en ordenadas el costo de desarrollo y producción. Se observa que la pendiente que corresponde al micro programado es más suave, por lo tanto a partir de cierta complejidad es más conveniente el

diseño con esta técnica. Como ejemplo se indican los microprocesadores 8085 y 8086 de Intel.

Figura 24. comparación 8085 / 8086

4.3 TECNOLOGÍA "BIT-SLICE"

Aprovechando avances tecnológicos en el proceso de integración, hacia 1975 aparecen en el mercado chips bipolares de alta velocidad, específicamente diseñados para implementar procesadores micro programados de alta performance. Se los denominó "bit-slice" (tajadas de bits) y permitían construir unidades de proceso de ancho de palabra variable (en incrementos de 2 o 4 bits, agregando chips).

La familia AM2900 de Advanced Micro Devices y su segunda fuente Raytheon es un ejemplo de esta tecnología que permitía implementar con pocos chips una unidad de control completa (véanse las hojas de datos de Raytheon que se incluyen con el material suministrado).

5. MICROCONTROLADOR (PIC)

5.1 ¿QUÉ ES UN PIC?

Un PIC es un microcontrolador basado en memoria EPROM/ FLASH desarrollado por Microchip Technology.

5.2 RESEÑA HISTÓRICA

En 1965 GI formó una división de microelectrónica, destinada a generar las primeras arquitecturas viables de memoria EPROM y EEPROM. De forma complementaria GI Microelectronics Division fué también responsable de desarrollar una amplia variedad de funciones digitales y analógicas en las familias AY3-xxxx y AY5-xxxx. GI también creó un microprocesador de 16 bit, denominado 1600, a principios de los 70. Este fué un microprocesador razonable, pero no particularmente bueno manejando puertos de e/s. Para algunas aplicaciones muy específicas GI diseñó un Controlador de Interfaz Periférico (PIC) entorno a 1975. Fué diseñado para ser muy rápido, además de ser un controlador de e/s para una máquina de 16 bits pero sin necesitar una gran cantidad de funcionalidades, por lo que su lista de instrucciones fué pequeño.

No es de extrañar que la estructura diseñada en 1975 es, sustancialmente, la arquitectura del actual PIC16C5x. Además, la versión de 1975 fué fabricada con tecnología NMOS y sólo estaba disponible en versiones de ROM de máscara, pero seguía siendo un buen pequeño microcontrolador. El mercado, no obstante, no pensó así y el PIC quedó reducido a ser empleado por grandes fabricantes únicamente.

Durante los 80, GI renovó su apariencia y se reestructuró, centrando su trabajo en sus principales actividades, semiconductores de potencia esencialmente, lo cual siguen haciendo actualmente con bastante éxito. GI Microelectronics Division cambió a GI Microelectronics Inc (una especie de subsidiaria), la cual fué finalmente vendida en 1985 a Venture Capital Investors, incluyendo la fábrica en Chandler, Arizona. La gente de Ventura realizó una profunda revisión de los productos en la compañia, desechando la mayoría de los componentes AY3, AY5 y otra serie de cosas, dejando sólo el negocio de los PIC y de las memorias EEPROM y EPROM. Se tomó la decisión de comenzar una nueva compañía, denominada Arizona Microchip Technology, tomando como elemento diferenciador sus controladores integrados.

Como parte de esta estrategia, la familia NMOS PIC165x fué rediseñada para emplear algo que la misma compañía fabricaba bastante bien, memoria EPROM. De esta forma nació el concepto de basarse en tecnología CMOS, OTP y memoria de programación EPROM, naciendo la familia PIC16C5x.

Actualmente Microchip ha realizado un gran número de mejoras a la arquitectura original, adaptándola a las actuales tecnologías y al bajo costo de los semiconductores.

5.3 TIPOS DE PIC

Existen diversas familias de PIC, las cuales se amplían constantemente, pero las más básicas son: • PIC16C5x: instrucciones de 12 bit, 33 instrucciones, 2 niveles de acumulador, sin interrupciones. En algunos casos la memoria es del tipo ROM, definida en fábrica.

• PIC16Cxx: instrucciones de 14 bit, 35 instrucciones, 8 niveles de acumulador.

• El PIC16C84 posee memoria EEPROM.

• PIC17Cxx: instrucciones de 16 bit, 55 instrucciones, 16 niveles de acumulador. A menos que se indique, la memoria es del tipo EPROM.

• Adicionalmente existen otras familias derivadas, como los PIC16Fxx que emplean memoria del tipo FLASH.

5.3.1 Familia PIC16F8X .

Adicionalmente hay una familia derivada PIC16LF8X

con voltaje extendido. Los PIC16F8X son iguales a los 16C8X salvo que sustituyen FLASH por EPROM para la memoria de programa.

Dispositivos integrantes de la familia:

Tabla 7. Integrantes de la familia PIC16F8X FLASH-PROGRAMA PIC16F83 512 bytes PIC16F84 1 K bytes

MEMORIA-DATOS 36 bytes 68 bytes

EEPROM-DATOS 64 bytes 64 bytes

5.3.1.1 Características de U • U con núcleo RISC • 35 instrucciones • Ejecución de instrucciones en un ciclo (salvo saltos de programa en dos ciclos) • Frecuencia máxima de trabajo: 10 MHz (400ns de ciclo de instrucción) • 14 bits de tamaño de instrucción • bits de tamaño de datos • 15 registros de función especial • Stack de 8 niveles de profundidad • Modos de direccionamiento directo, indirecto y relativo • 4 fuentes de interrupción: • Pin externo RB0/INT • Exceso de temporizador TMR0 • Interrupción por cambio del puerto B (7:4) • Escritura completa de EEPROM • 1 millón de ciclos de borrado/escritura en EEPROM • Retención de datos en EEPROM > 40 años

5.3.1.2 Características de Periferia • 13 pins de e/s para control de direccionamiento individual

• Alta corriente de salida para manejar LEDs directamente: • 25 mA de pico por pin • 20 mA entregados por pin • TMR0: contador/temporizador de 8 bits pre-escalar y programable

5.3.1.3 Características especiales del Microcontrolador • Power en Reset (POR) • Power por temporización (PWRT) • Temporizador de comienzo por oscilador (OST) • Temporizador de "perro guardián" o watchdog (WDT) con su propio oscilador RC para mejor operación • Protección de código • Modo SLEEP para ahorro de energía • Programación del sistema por puerto serie de dos pines (los dispositivos ROM sólo soportan programación de datos en EEPROM)

5.3.1.4 Tecnología CMOS • Tecnología de baja potencia y alta velocidad CDMOS Flash/EEPROM • Diseño completamente estático • Rango de voltajes de trabajo: • Comercial: 2.0V a 6.0V • Industrial: 2.0V a 6.0V • Bajo consumo de potencia:

• 2mA típicos a 5V y 4MHz • 15uA típicos a 2V y 32 KHz • 1 uA típico de corriente de "standby" o espera a 2V

5.3.1.5 Patillaje

Figura 25. Patillas PIC16F8X

Leyenda y notas de la tabla 8:

E=entrada - =no empleado

S=salida E/S=entrada/salida A=alimentación TTL=entrada TTL ST=entrada Schmitt

5.3.2 Arquitectura Interna. Los microcontroladores PIC utilizan la arquitectura Harvard, la cual separa la memoria de programa de la memoria de datos. Esto hace que el dispositivo tenga un bus de datos y un bus de memoria de programa, hecho que permite acceder a ambos simultáneamente. En el caso de la memoria de programa es interna, ya que se encuentra en forma de EPROM o FLASH dentro del propio PIC.

Tabla 8. Descripción de las patillas del PIC Nº NOMBRE PIN OSC1/CL 16 KI N

TIPO (E/S/A) E

TIPO DE BUFFER

ST/CMOS (3) Entrada del cristal oscilador / entrada externa de reloj

15

OSC2/CL KOUT

S

-

4

MCLR'

E/A

ST

17 18 1 2 3

RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/T0C KI

E/S E/S E/S E/S E/S

TTL TTL TTL TTL ST

E/S E/S E/S E/S E/S E/S E/S E/S

DESCRIPCIÓN

6 7 8 9 10 11 12 13

RB0/INT RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7

TTL/ST (1) TTL TTL TTL TTL TTL TTL/ST (2) TTL/ST (2)

5

Vss

A

-

14

Vdd

A

-

Salida del cristal oscilador. En el modo de oscilación por cristal se conecta al cristal o resonador. En modo RC OSC2 proporciona CLKOUT (salida de reloj), que posee 1/4 de la frecuencia de OSC1, y representa el ciclo de instrucción. Entrada de reset / entrada de voltaje de programación. Este pin es un reset activo a nivel lógico bajo del dispositivo. PORTA es un puerto de E/S bidireccional Puede ser seleccionado también para ser la entrada de reloj al contador/temporizador TMR0. La salida es de colector abierto. PORTB es un puerto de E/S bidireccional que puede ser programado para levantar internamente todas las entradas. RB0/INT puede ser seleccionado como un pin de interrupción externa RB4 a RB7 son pines de interrupción por cambio de estado. RB6 es la entrada de reloj de programación y RB7 la entrada de programación serie. Referencia de tierra (masa) para todos los pines lógicos de E/S. Alimentación positiva para todos los pines lógicos de E/S.

Otra característica reseñable es que las instrucciones en los PIC son de 14 bits y no de 8, permitiendo instrucciones de palabra única con operación y operando en la misma palabra.

Esta estructura, acompañada de un pipeline, permite que las instrucciones se ejecuten en un sólo ciclo de reloj, salvo en el caso de saltos/rupturas de programa. Lo que se hace internamente es que mientras se ejecuta la instrucción actual se carga la siguiente instrucción en el pipeline, con lo que se alcanza una alta velocidad de ejecución.

En cuanto a los registros los PIC pueden direccionarse tanto directa como indirectamente. Todos los registros de función especial, incluyendo el contador de programa, están accesibles en la memoria de datos y pueden ser operados de cualquier forma y empleando cualquier modo de direccionamiento (ortogonalización). Igualmente, todos los elementos del sistema (temporizadores, puertos de e/s, etc) están implementados como registros.

Figura 26. Unidad Aritmética Lógica(ALU)

Los PIC poseen una ALU de 8 bits y un registro de trabajo (W) de 8 bits, pudiéndose efectuar operaciones aritméticas y booleanas entre el registro de trabajo y cualquier otro registro. Por naturaleza los datos se operan en complemento a 2, a menos que se diga lo contrario. En función de las instrucciones ejecutadas la ALU puede afectar los valores de los siguientes registros: • Acarreo (C) • Acarreo de dígito (DC) • Bit Cero (Z) del registro de estado.

5.3.2.1 Diagrama de la estructura interna

Figura 27. Memoria

5.3.2.2

Organización de la memoria . Hay dos bloques de memoria en el PIC16F8x.

Éstas son la memoria del programa y la memoria de datos. Cada bloque posee su propio bus, con la finalidad que el para cada bloque pueda ocurrir durante el mismo ciclo del oscilador.

Memoria de programa. La memoria de programa está organizada en palabras de 14 bits y es del tipo FLASH. Esta memoria es de sólo lectura y únicamente se ejecutará el código contenido en ella. El vector de reset se encuentra en la posición 0000h y el de interrupciones en la 0004H, por lo que la memoria de se extiende desde la dirección 0005H.

Memoria de datos. La memoria de datos está dividida en Registros de Propósito General (GPR) y los Registros de Función Especiales (SFR).Los SFR controlan la operación del dispositivo.

Para el estudio de esta memoria se suele dividir virtualmente la misma en dos bancos, tal y como podemos ver en el gráfico adjunto. De esta forma los registros GPR están agrupados entre 00H-0BH y 80H-8BH. Los registros de propósito general pueden ser accedidos desde 0CH-2FH o 8CH-AFH, aunque se recomienda siempre el primer intervalo.

Las zonas de memoria 30h-7FH y B0H-FFH no son empleadas y devuelven 0 en lectura. El área de memoria de datos también contiene la memoria de datos EEPROM. Esta memoria no está directamente mapeada en la memoria de datos, pero está indirectamente mapeada. Esto es, un puntero de dirección indirecta especifica la dirección de la memoria de datos EEPROM para lectura/escritura. Los 64 bytes de memoria de datos EEPROM tienen el rango de dirección 00h-3FH.

Para acceder a la EEPROM en lectura y escritura empleamos dos registros, que forman el puntero de dirección indirecta: • EEDATA (0008H), para datos EEADR (0009H), para direcciones • Para definir el modo de funcionamiento empleamos los registro especiales: • EECON1 (0088H) EECON2 (0089H)

5.7.3 Puertos de E/S. Se dispone de dos puertos de entrada y salida (E/S).

Figura 28. E/S

Puerto A Posee 5 líneas (RA0 a RA4), en la que RA4 o T0CKI es compartida con la entrada para el temporizador 0 (TMR0).

Puerto B Posee 8 líneas de E/S (RB0 a RB7), en la que la línea RB0 o INT es compartida con la entrada de interrupción externa.

6. DISEÑO Y DESARROLLO DEL PROYECTO

Para este proyecto se toma de base el proyecto de grado del Ingeniero de Sistemas Alvaro Buitrago Trillos, titulado “AUTOMATIZACIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO POR MICROPROCESADOR” desarrollado en 1996 en la Universidad Francisco de Paula Santander; el cual en la actualidad no tenía una utilidad visible, encontrándose abandonado y en constante deterioro.

El funcionamiento del robot no era el apropiado, pues carecía de algunos elementos esenciales para realizar los diferentes movimientos

y otros elementos se encontraban en

muy mal estado.

Uno de los primeros pasos fue reconstruir el proyecto, para lo que se dió la necesidad de estudiar, analizar y comprender todo el trabajo realizado por él.

Terminada la

reconstrucción se expuso el proyecto en el “PRIMER ENCUENTRO BINACIONAL DE LA INNOVACIÓN Y LA CREATIVIDAD ”, evento realizado en San José de Cúcuta, los días 16,17 y 18 de Noviembre de 2000 organizado por “PROEMPRESAS”.

Durante y después del proceso de reconstrucción, se analizaron algunas de las limitantes que presentaba este proyecto para hacer de él, una herramienta útil para el laboratorio de robótica.

6.1 ADECUACIÓN

Se le realizaron cambios a la estructura del robot para un mejor acoplamiento al proyecto “DISEÑO DE UN BRAZO ROBOT CONTROLADO POR PC COMO HERRAMIENTA PARA EL LABORATORIO DE ROBÓTICA”.

6.1. 1 Motores. Los motores con los que contaba el robot, para realizar los diferentes movimientos eran motores de +3v(Ver Figura 29) de corriente

Figura 29. Motor de +3v con escobillas

continua (DC). Estos carecían de fuerza(torque) y velocidad.

Cuando el motor

era sometido a un esfuerzo en su movimiento, generándole una carga mayor a lo normal, esto producía una sobre corriente que circulaba por ellos ocasionando en la mayoría de los casos el daño de las escobillas del motor(quemándolas).

Figura 30.

Motor de +12v con carboncillos

Razón por la cual, los motores se cambiaron por motores de +12v de corriente continua, con carboncillos(Ver Figura 30).

Todos los motores del Robot se cambiaron, excepto el motor el motor de la pinza , pues el tamaño del nuevo motor y el espacio de la estructura de la pinza, no lo hicieron posible.

La distribución de los motores en el robot esta descrita en la siguiente gráfica

Figura 31. Distribución de motores en el robot

MOTOR 1,2 : son los encargados de brindarle la movilidad a la base del robot, cada uno se manipulan de manera independiente ofreciendo un desplazamiento a la base en plano cartesiano(x-y).

MOTOR 3 : Es el encargado de brindarle movilidad vertical al brazo del robot en un cubrimiento no mayor de 100 grados y se encuentra dentro del brazo.

MOTOR 4 : Es el encargado de brindarle movilidad vertical a la muñeca del robot en un cubrimiento no mayor a 180 grados y se encuentra localizado en el antebrazo.

MOTOR 5 : Es el encargado de brindarle movilidad circular y de apertura a la pinza del robot, abre y cierra la pinza en un barrido de unos 20cm y gira la pinza los 360 grados. Este motor se encuentra dentro de la muñeca del robot.

6.1.2

Tarjeta de Potencia. Al realizar el cambio de los motores, la tarjeta de potencia

tenia que ser modificada por que el motor de +3V tiene unas características de funcionamiento diferentes al motor de +12V (Ver Figura 32).

Cambiando

algunas

resistencias y conexiones se emplea el mismo impreso del proyecto anterior.

R1

R2

I1

I2

Figura 32. Esquema electrónico de los motores

Cabe destacar, que por medio de una resistencia variable se puede controlar la velocidad de un motor. Esto se puede apreciar en la gráfica anterior al aplicar la ley de ohm :

I

V R

La resistencia R y la corriente I son inversamente proporcionales, por lo tanto variando la resistencia varia la corriente que circula por el motor; la cual genera un movimiento mecánico en él(velocidad de giro). El motor es afectado por la variación de la resistencia, visualizando este efecto con el aumento o disminución de la velocidad de giro según sea el caso.

La función de la tarjeta de potencia es proporcionar el voltaje y la corriente requeridos para el buen funcionamiento de los motores del robot. La tarjeta de potencia recibe las señales procesadas de los diferentes controles o tecnologías para activar o desactivar el movimiento de cualquier motor. Como la señales de entrada son pulsos de voltaje de +5V DC, que sólo pueden manipular cargas pequeñas como Diodos Emisores de Luz(LED) y la mayoría de los motores manejan voltajes de

+12V DC, es necesario contar con elementos

amplificadores o acopladores a los cuales le puedan conectar estos motores.

La tarjeta se subdivide en dos parte fundamentalmente: ENTRADA: Está conformada por óptoacopladores con TRIAC’s, estos reciben la señal de cualquier control (Manual ó programado) para respectivo procesamiento.

SALIDA: Está conformada principalmente por SCR’s, actuando como conmutador, al aplicar un pequeño

pulso de corriente (Disparo) al pin de la compuerta(GATE). El SCR

entra en conducción comportándose como un diodo rectificador, por lo que se emplea para motores de corriente continua.

En esta tarjeta se emplearon SCR’s para el arranque de los motores, por lo que se utilizaron óptoacopladores para aislar los voltajes de manejo de los motores(+12V) con los voltajes de las señales de entrada(+5V).

6.1.2.1 Óptoacopladores R1

V1

R2 I2

I1

V2

Figura 33. Optoacoplador

El óptoacoplador (llamado también óptoaislador o aislador acoplado ópticamente) combina dos elementos un emisor (LED) y un receptor (fotodiodo, fototransistor u otro elemento óptico) en n solo encapsulado(Ver Figura 33)

Al conectar la fuente V1 existe una caída de tensión en la resistencia R1 generando una corriente que circula por el LED, haciéndolo emitir un haz de luz ; la que activa el fotodiodo haciéndolo entrar en conducción, esto cierra el circuito que está alimentado por la fuente V2. Esto es en pocas palabras el funcionamiento de un óptoacoplador que tiene como receptor un fotodiodo, los demás óptoacopladores funcionan de manera similar, solo varia el tipo de receptor que pueden ser TRIAC’s , transistores, SCR’s, etc. todos con tecnología óptica.

La ventaja fundamental de un óptoacoplador es el aislamiento eléctrico de los circuitos de entrada y los de salida conectados a éste. Pues el único o que existe es un haz de luz ; el cual no es un conductor eléctrico. En otras palabras si existe un corto circuito en cualquier extremo (entrada/salida) del óptoacoplador no afectará para nada el otro extremo.

ECG 3091 3046

ECG 3081

Con SCR

Con transistor E C G 3048 3047

Con TRIAC

Figura 34. Tipos de Optoacoplador

Existen diferentes tipos de óptoacopladores, en la figura 34 se muestran algunos de ellos. En

la tarjeta de potencia se emplearon óptoacopladores con receptor basado en

TRIAC(ECG 3047 ó 3048).

6.1.2.2 El Rectificador Controlado de Silicio(SCR). Es un dispositivo electrónico, que posee tres patillas Ánodo(A) lado positivo, cátodo(K) lado negativo y Gate(G) como se ilustra la Figura 35.

Su funcionamiento es similar al de un diodo ideal pero tiene un tercer pin que funciona como la base de un transistor, hay que darle un pulso de voltaje(Disparo) en este pin para que el SCR entre en conducción, desde otro punto de vista imaginémonos una llave de

paso en el acueducto domiciliario; en el que no existe paso de agua hacia los tanques si no se habilita(abre) la llave de paso. Donde el pin G(Gate) es la llave y el ánodo y cátodo son los extremos del tuvo. Ánodo

Gate ó puerta

Cátodo Figura 35. SCR

Los SCR’s son elementos electrónicos unidireccionales; conducen corriente en un sólo sentido (Directamente polarizados) de aquí su similitud a un diodo ideal Si el SCR esta directamente polarizado (ánodo +, cátodo -) conduce en condiciones contrarias se comporta como un o normalmente abierto.

Son estas las propiedades que permiten usar un SCR para arrancar un motor de corriente continua(cc), a partir de una fuente de corriente alterna(AC ó CA). En la figura 36 b) se encuentra el esquema eléctrico para hacer arrancar un motor(CC), en un sentido de giro horario; durante el medio ciclo positivo de la fuente(AC) pues en el medio ciclo negativo no podrá circular corriente alguna(Inversamente polarizado el SCR).

En la Figura 36 a) se encuentra el esquema eléctrico para hacer arrancar el mismo motor pero con un sentido de giro antihorario. Ahora el motor gira con el medio ciclo negativo ya que el SCR se encuentra al contrario.

R 1

R 1 Disparo

Disparo

a)Medio ciclo positivo

b)Medio ciclo negativo

Figura 36. Arranque de motores con A.C.

Con lo anterior se podrá concluir que para hacer girar un motor en sentido horario y antihorario, son necesarios dos SCR’s con un óptoacoplador cada uno. En la Figura 37 se muestra el esquema eléctrico con el sentido en el que circula la corriente por el motor, dependiendo el SCR que se encuentre activo(en conducción).

En la parte derecha de la gráfica podemos apreciar la imagen de las señales de onda que sale hacia el motor dependiendo de los SCR’s y de la señal de onda de entrada(ac), resaltando sus dos ciclos(positivo y negativo).

Fa s e (a c ) Señal A.C

SC R 1 Disparo 1

Disparo 2 SC R 2

Señal SCR1

Señal SCR2 Neutro Figura 37. Esquema y Señales de los giros del motor

6.1.2.3 Componentes de la Tarjeta de Potencia. La lista de los materiales empleados para la construcción de la tarjeta de potencia son:

CANTIDAD 10 10 10 10 10 10

Tabla 9. Lista de materiales tarjeta de potencia ELEMENTO CARACTERISTICAS Óptoacopladores MOC3011/21 Resistencias 360 Ω a ¼ w Resistencias 62 Ω a ¼ w Resistencias 32 Ω a ½ w Diodos IN5404 SCR’S S4025R

6.1.2.4 Esquema del Circuito Impreso. El circuito impreso contempla todos los cambios realizados al impreso del anterior proyecto. Su elaboración se realizó en el software denominado “SMARTWORK ver 1.4” ; Es un paquete diseñado para ayudar al diseño y producción de circuitos impresos.

DATOS DE ENTRADA Entrada s al microprocesad or Y del PC

ENTRADA DE LAS SEÑALES de los sensore s de l robot

A0 A1 A2 A3 A4 A5

S W1

Las señales de los sensores, son tratadas por compuerteria NAND (familia TTL) Figura 6.14

S W2 S W3 S W4 SOP1 SOP2

A6

SOP3

A7

NC

SALID A DE LA TARJET A DE POTENCIA para los m ot or es

DATOS DE SALIDA Sa lidas de l microp roce sad or Y de l PC

Común

B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6

M1(base)

Las señales de los controles programables (pc,microprocesador) son tratadas con lógica triestado Figura 6.12

M2(base) M3(brazo) M4(muñeca) M5(pinza) +5V GND

B7

Figura 38. Etapas de la tarjeta de interfaz

Figura 39. El Impreso de la Tarjeta de Potencia

6.1.3 Tarjeta Lógica.

Su funcionalidad

es

la

manipulación

y procesamiento

de la información que van de cualquier control programado(PC, PIC, Microprocesador) al robot para realizar el movimiento de los motores. También realiza este proceso con la información que viene de los sensores hacia cualquier control programado(PC ó microprocesador) excepto el control manual, control por PLC y el control por microcontrolador (PIC) que no utilizan esta interfaz(ver figura 38).

ENTRADAS: Existen dos entradas de señales a la tarjeta las provenientes de los controles programados(PC y Microprocesador), la otra entrada de señales la conforman las provenientes de los sensores; los que le brindan un mejor control en los diferentes movimientos que puede realizar el robot.

SALIDAS: Existen dos bloques de señales de salida; un bloque lo constituyen las señales que van hacia la tarjeta de potencia para hacer funcionar los motores del robot. El otro

bloque lo conforman las señales que van hacia

los controles programables(PC ó

Microprocesador), provenientes de los sensores.

6.1.3.1 Lógica Triestado. Para producir el movimiento de los diferentes motores del robot, se cuentan con 8 Bits o líneas de salida del puerto (para control por PC ó Microprocesador). Para hacer funcionar un motor son necesarios dos Bits de control; un Bit para hacerlo girar en sentido horario y otro para hacerlo girar en sentido antihorario. Por consiguiente es necesario 10 Bits para hacer funcionar los cinco motores que tiene el robot , pero tanto en el puerto del microprocesador, como en el puerto paralelo (LPT1) del computador personal(PC) se cuenta con 8 Bits de datos. Razón por la cual se emplean buffers con lógica tres estados para obtener doce líneas de salida como muestra la Figura 40 , en la que se utilizan los seis primeros Bits como de datos(Bo al B5) y los dos últimos Bits (B6 y B7) como Bits de control para los doce de datos.

M5A M 5B

DATOS DE SALI DAS del Microproces ador y PC

M 4A M 4B

BO B1 B2

M 3A M 3B

B3 B4

M 2A

B5 B6 B7

M 2B M 1A

M1A : M1B: M2A : M2B: M3A : M3B: M4A : M4B: M5A : M5B:

Motor 1, Giro Hora rio Motor 1, Giro Antihora rio Motor 2, Giro Antihora rio Motor 2, Giro Hora rio Motor 3, Baja el brazo Motor 3, Sube el b ra zo Motor 4, Baja la pinza Motor 4, Sube la p inza Motor 5, Gira la pinza Motor 5, Abre y cierra la pinza

M 1B

DATOS DE ENTRADA a la Tarjeta de potenc ia

Figura 40. Manejo de la lógica triestado

El Bit B6 activa los seis primeros buffers (compuertas lógicas amplificadoras) con los que se hacen funcionar los motores 3, 4 y 5 desactivando los demás buffers. El Bit B7 activa los otros seis buffers con los que se manipulan los motores 1 y 2 quedando deshabilitadas dos líneas (sin uso) y bloqueando los demás buffers.

Todas las señales de salida de los buffers van conectadas a la tarjeta de potencia. En la Figura 40 se ilustra la nomenclatura empleada para destacar los diferentes movimientos de cada uno de los motores con su respectiva descripción. Tabla 10. Lista de materiales lógica tres estados CANTIDAD ELEMENTO CARACTERÍSTICAS 2 Compuerta ECO 74245. 2 Compuerta EC074132 8 Resistencias 1K 1 Un conector de eyección 40 pines 1 Un conector de eyección 34 pines

6.1.3.2 Señal de los Sensores. La tarjeta de interfaz también manipula la señal que producen los sensores, el robot tiene 7 sensores de dos tipos diferentes, cuatro sensores de o y tres ópticos. Estos sensores están ubicados en diferentes partes del robot, la distribución de los sensores en el robot los podemos apreciar en la Figura 41 y la descripción de la nomenclatura empleada para la nominación de los sensores se apreciarán en la Tabla 11.

Las señales que producen los sensores tanto ópticos como los de o, tienen que ser tratados antes de llegar a la entrada de alguno de los controles programables, para ello se utilizan compuertas NAND con shmintt trigger como se puede ver en la Figura 42, con

estas compuertas se garantiza una alta inmunidad al ruido, unas señales de nivel alto(+5v) y bajo(0v) constantes con una buena velocidad de comunicación. Tabla 11. nomenclatura de los sensores SENSOR DESCRIPCIÓN SW1 Sensor de o 1 SW2 Sensor de o 2 SW3 Sensor de o 3 SW4 Sensor de o 4 Sop1 Sensor de óptico 1 Sop2 Sensor de óptico 2 Sop3 Sensor de óptico 3

Figura 41. Distribución de los sensores en el robot

Los sensores se encuentran en la estructura del robot y el control de las señales producidas por ellos en la tarjeta de interfaz.

6.1.3.2.1 Sensores de o. Los sensores de o son switches ó pulsadores pequeños (También llamados microswitches ó finales de carrera)

DATO S DE EN TR ADA Entra das al micr opr o cesador y de l PC

M

A1 A2

M3

A3 A4 NO U SADO

A5

M1

SEN SOR OPTICO

M2

SEN SOR OPTICO OP2

M3

SEN SOR OPTICO OP3

A6 A7

Figura 42. Control electrónico de los sensores

en posición normalmente abierta ó normalmente cerrados, su función básica es dar o quitar continuidad a una línea de conducción cuando se oprimen o pulsan por una fuerza mecánica (ver Figura 43)

según si son normalmente abiertos(NA) ó normalmente

cerrados(NC) correspondientemente.

Figura 43. Sensor de o

El circuito electrónico que manipula los sensores de o en la tarjeta de interfaz se describe a continuación por la Figura 44.

a) Sensor inactivo

b) Sensor activo

Figura 44. Sensor de o

Lista de materiales empleados para la contracción del circuito electrónico estos elementos son por cada sensor de o :

CANTIDAD 1 1 1

Tabla 12. Lista de materiales ELEMENTO CARACTERISTICAS Resistencias 1K Ω a ½ w Compuerta TTL NAND 74LS132 con shmintt trigger Sensor de o Microsuhiche

Cuando el SW esta abierto la corriente I

circula por R hacia la compuerta NAND

produciendo un 1(uno) en sus dos pines de entrada, lo que ocasiona un 0(cero) en el pin de salida de la compuerta. Ahora cuando el SW se encuentra cerrado la corriente I circula por R Hacia tierra(punto de menor oposición para la corriente) produciendo un 0(cero) en los dos pines de entrada de la compuerta, lo cual genera una salida de 1(uno) en la compuerta.

El circuito produce una señal alta(+5v) representada con un 1, cuando el SW esta pulsado y produce una señal baja(0v) representada con un cero, cuando el SW no esta pulsado.

6.1.3.2.2

Sensores ópticos.

Estos sensores están compuestos básicamente por un

emisor y un receptor de una señal óptica que describe una línea recta entre emisor y receptor. Su función es detectar cuando dicho haz de luz sea interrumpido por cualquier objeto.

Receptor

Emisor

Señal

luz

a) Sensor

b) Funcionamiento Figura 45. Sensor óptico

La señal de salida cuando detecta la interrupción puede ser activa en alto(1) ó activa en bajo(0) según el tipo y los requerimientos de utilidad del sensor.

El circuito electrónico empleado para funcionar en conjunto con la tarjeta de interfaz lo podemos apreciar en la Figura 46.

Se ña l D e sa lida

a) Sensor activo

S e ña l D e sa lida

b) Sensor inactivo

Figura 46. Esquema electrónico del sensor óptico

Lista de materiales empleados para la contracción del circuito electrónico de los sensores Sop1 y Sop2, estos elementos son por cada sensor :

Tabla 13. Lista de materiales sensor óptico 1,2 CANTIDAD ELEMENTO CARACTERISTICAS 1 Sensor óptico H21A / 9150 KOREA 330 Ω a ½ w 1 Resistencia (R1) 1 Resistencia(R2) 10 k Ω a ½ w 2.6 K Ω a ½ w 1 Resistencia(R3) 1kΩ a ½w 1 Resistencia(R4) 1 Transistor 2N3904

El sensor óptico Sop3 ubicado en el brazo del robot difiere un poco con los anteriores, puesto que los materiales que se adquirieron no cumplían con las mismas características en especial el sensor óptico. A continuación listamos los materiales para el sensor Sop3.

Tabla 14. Lista de materiales sensor óptico 3 CANTIDAD ELEMENTO CARACTERISTICAS 1 Sensor óptico OPB3980 / A84 MEXICO 220 Ω a ½ w 1 Resistencia (R1) 1 Resistencia(R2) 100 Ω a ½ w 1KΩ a ½w 1 Resistencia(R3) 330 Ω a ½ w 1 Resistencia(R4) 1 Transistor 2N3904

6.1.2.1

Esquema del Circuito Impreso

La elaboración del circuito impreso se realizo en el software denominado “SMARTWORK ver 1.4” (ver Figura 47).

6.1.4

La Base ó Plataforma del Robot : La base del robot se encuentra sobre 3

ruedas que son su puntos de apoyo dos de las cuales poseen motores para su movilidad y una es rueda loca, distribuidas como lo describe la Figura 48 b).

Figura 47. Impreso de la tarjeta interfaz

a) foto base

b) Variables

Figura 48. Base del robot

En la base se encuentran los motores 1 y 2 que se manipulan de forma independiente. Como cada motor tiene dos sentidos de giro, se puede representar el giro de cada motor con una variable diferente, para contar con cuatro en total y así determinar los valores de cada variable en los diferentes movimientos que se pueden realizar y los que no con la plataforma del robot(ver Tabla 15).

Cuando el valor de cualquier variable es 0(cero), quiere decir que el motor está en reposo(no tiene movimiento alguno) en el sentido de giro que este representando dicha variable y cuando el valor de cualquier variable sea 1(uno), esto quiere decir que el motor gira en el sentido que esta representando la variable. Las variables a las que hacemos mención son la que describe la Figura 48 b) (A1,A2,B1,B2).

A1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

A2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

Tabla 15. Posibles movimientos de la plataforma B1 B2 MOVIMIENTO DE PLATAFORMA 0 0 No existe movimiento 0 1 Derecha a ½ velocidad 1 0 Izquierda a ½ velocidad 1 1 No permitido 0 0 Izquierda a ½ velocidad 0 1 Atrás 1 0 Izquierda 1 1 No permitido 0 0 Derecha a ½ velocidad 0 1 Derecha 1 0 Adelante 1 1 No permitido 0 0 No permitido 0 1 No permitido 1 0 No permitido 1 1 No permitido

a) Original

b) Adecuación Figura 49. Rueda loca

LA RUEDA LOCA: La original que traía el robot estaba situada en un extremo de la base (ver Figura 49 a) lo que no permitía un punto de equilibrio(punto central) al realizar los giros (DERECHA E IZQUIERDA), por ésto se cambio a una más apropiada y se ubicó en un punto más central o equidistante a las dos ruedas delanteras de la base.

6.1.5 Cableado. El cableado original del robot no era el apropiado, el cableado externo estaba expuesto al alcance del (algo no

recomendado) y el cableado interno

estéticamente no era adecuado.

Todo el cableado quedo fuera de la manipulación del , dejando tan solo bananas, bornes y conectores para el manejo de las tecnologías(PC, PIC, PLC, Microprocesador y manual).

6.1.5.1 Cableado Interno. Todo el cableado interno del robot , como el cableado interno del banco fueron cambiados en su totalidad.

a) Robot

b ) Ban co Figura 50. Cableado interno

Para el cableado del banco se empleo una canaleta ranurada

para mejorar la estética del

mismo, en la que se introdujo las líneas de comunicación que interconectan las diferentes tarjetas electrónicas. Para el cableado al interior del robot se utilizó cable telefónico de diferentes colores, con el fin de poder identificar más fácil las líneas de alimentación(voltaje) y las líneas de datos (motores y sensores).

6.1.5.2

Cableado Externo. Para el cableado externo de la herramienta se emplearon

bananas, conectores DB-25, conectores de inyección de 40 y 34 pines, reata de 25 hilos entre otros según la tecnología a manipular lo que se especificará con mayor detalle mas adelante.

6.1.5.2.1 Cordón Umbilical

Com.+ 6v Sop3 N .C

Sop1 Sop2

S W4 N .C

M5

N .C

M4

S W2

SW3

M3

M2

GND

S W1

+5V

N .C

N .C

Com. +12v N .C M1

N .C N .C

Com. SW

Figura 51. Conector DB-25

Para manipular el robot, el banco se conecta al robot por medio de una reata de 25 líneas(hilos), la cual en sus extremos cuenta con conectores DB-25 a lo que se denomina CORDON UMBILICAL. El cordón umbilical permite al banco manipular remotamente el robot, permitiéndole una área de movimiento aproximadamente amplia donde se le pueden generar diferentes entornos de trabajo según la creatividad y el ingenio del .

El cordón está interconectado entre el banco y el robot, por conectores DB-25; los que tienen una distribución de pines como describe la Figura 51

6.1.6 Estructura del Banco. La estructura del banco está construida en metal (tuvo rectangular), madera(triple) y una lámina de acrílico. El acrílico le permite ver al los diferentes elementos electrónicos que componen el banco como las electrónicas, pero no puede tener directo a ellas.

tarjetas

La estructura se construyó

pensando en la estética y en que fuera lo más didáctico para la manipulación del , limitándose al presupuesto y a los materiales encontrados en el mercado regional.

Los diámetros y la estructura del banco se pueden observar en la gráfica siguiente:

60 cm

1m 3 cm 20 cm

26 cm 83 cm

b) Foto del banco

a) Medidas Figura 52. estructura del banco

Se compone principalmente de dos zonas; la zona de movilidad ó desplazamiento del robot que es la parte superior del banco comprendido en un área de 60 x 100 centímetros y la zona del de control donde el manipula por cualquier control(manual ó programable) el robot, esta zona es la parte frontal del banco correspondiente a una área de 26 x 100 centímetros. La distribución del espacio para las tecnologías en el de

control se realizo en forma de bloque dejándole un espacio individual para cada una de ellas, esto se puede apreciar en la Figura 53.

Cada tecnología lo mismo que el control manual y el control general(encendido – apagado) ocupan un área de 20 x 14 centímetros cada uno dentro del de control, ósea que se encuentra subdividido en seis áreas menores.

Figura 53. de control

En las partes laterales del banco se adaptaron tomacorrientes dobles de 120v, con el objetivo de que el los emplee para dar alimentación a los diferentes elementos que requiere

para desarrollar practicas en la herramienta como lo son el PLC y el

Microprocesador.

No esta de mas aclarar que la herramienta tiene la interfaz para trabajar con PLC, PC y con Microprocesador pero no cuenta con ninguno de ellos.

6.2 ESPECIFICACIONES DEL DE CONTROL

Como se mencionó anterior mente, en el de control se encuentran las interfaces y las tarjetas electrónicas para que el robot pueda ser manipulado

Figura 54. Esquema general del de control

manualmente, por PLC, por microprocesador, por PIC y por PC.

Mas adelante se

especificará con mayor detalle, las diferentes tarjetas electrónicas que hacen posible la manipulación del robot con diversas tecnologías.

Como se trata de un sólo robot a

manipular las tarjetas están interconectadas, formando un sólo sistema interconectado (ver Figura 54).

Como se pude apreciar en la figura 54 todos los controles emplean la tarjeta de potencia para llegar a manipular los diferentes motores del robot.

6.2.1 Control Manual. La manipulación manual del robot se realiza mediante un joystick y tres pulsadores de doble o(ver Figura 55).

6.2.1.1 Joystick. Es con el que se controla de una manera fácil y didáctica la plataforma del robot. Internamente el joystick está compuesto de 4 switches,

Figura 55. Control manual

ubicados en forma de cruz (ver figura 56) y una palanca que al movilizarla activa los switches que se encuentran en la dirección a la que fue desplazada.

Figura 56. Diagrama interno del joystick

Son 4 switches pero según el movimiento que ofrece la palanca se presentan 8 posibles combinaciones, 4 de ellas activan un solo switche a la vez y las otras 4 activan 2 os a la vez (combinaciones que se desactivan).

6.2.1.1.1 Circuito Lógico. Se tiene 4 variables de salida del joystick y los motores de la plataforma del robot

son dos; los cuales manejan su sentido de giro de manera

independiente, ósea que tenemos 4 variables de entrada a los motores. El circuito lógico, que se diseño cumple con la siguiente tabla de verdad. Donde V,X,Y,Z son la variables de salida del joystick y A1, A2, B1, B2 son la variables de entrada a los motores

V 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

X 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

Y 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

Tabla Z 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

16. Tabla de verdad del joystick A1 A2 B1 B2 MOVIMIENTO 0 0 0 0 QUIETO 0 1 0 1 ATRÁS 0 1 1 0 IZQUIERDA 0 0 0 0 QUIETO 1 0 0 1 DERECHA 0 0 0 0 QUIETO 0 0 0 0 QUIETO 0 0 0 0 QUIETO 1 0 1 0 ADELANTE 0 0 0 0 QUIETO 0 0 0 0 QUIETO 0 0 0 0 QUIETO 0 0 0 0 QUIETO 0 0 0 0 QUIETO 0 0 0 0 QUIETO 0 0 0 0 QUIETO

Tomando como funciones a A1, A2, B1, B2 y aplicando suma de productos obtenemos:

A1 = V X Y Z + V X Y Z

B1 = V X Y Z + V X Y Z

A2 = V X Y Z + V X Y Z

B2 = V X Y Z + V X Y Z

Aplicando algunos teoremas de álgebra booleana podemos simplificar las funciones a : A1 = Y Z (V X + V X)

B1 = X Z (V Y + V Y)

A2 = V X (Y Z + Y Z)

B2 = V Y (X Z + X Z)

Teniendo ya las funciones se arma el esquema de compuertas lógicas TTL. El que se describe en la Figura 57.

Figura 57. Circuito de control del joystick

6.2.1.2 Pulsadores. Son 3 switches, que se emplean para manipular el brazo, la muñeca y la pinza. Son pulsadores con dos os normalmente abiertos.

Cada switche manipula un motor en sus dos sentidos de giro, los motores que son manipulados con estos switches son el motor 3(M3), el motor 4(M4) y el motor 5(M5).

SUBIR EL BRAZO

BAJAR EL BRAZO

SUBIR LA PINZA

BAJAR LA PINZA

o 2

GIRA LA PINZA

ABRE Y CIERRA PINZA

o 1 Común

Figura 58. Pulsadores del control manual

Con el control simple de esta manera no se le podía brindar una mínima seguridad a los piñones o engranajes, en el instante en que las articulaciones del robot lleguen a su limite(se forzan los engranajes deteriorándolos), se penso eliminar este efecto creando un circuito de lógico que se adaptó a los switches.

6.2.1.2.1

Circuito Lógico. Se cuenta con cuatro variables para manipular los motores

M3 y M4, dos para cada motor(una variable por cada sentido de giro) y con cuatro variables de los sensores de presencia(micro switches), ubicados en los limites de desplazamiento del brazo y la muñeca del robot. El circuito es capaz de detectar cuando el motor esta en movimiento y llega a un limite de desplazamiento de la articulación e inmediatamente detiene el motor. En otras palabras el circuito detecta la señal del sensor e inhabilita el movimiento del motor hacia el limite donde se encuentra el sensor(sentido de giro) hasta que el sensor deje de emitir la señal.

El esquema de compuertas TTL la describe la Figura 59. Las entradas de los motores en el esquema son activas en bajo y las entradas de los sensores son activas en alto.

a) Circuito lógico

b) tabla de verdad

Figura 59. Control de final de trayectoria

6.2.2 Control por PLC. La interfaz para el PLC, se compone de dos partes, las entradas del PLC hacia los motores del robot y las salidas al PLC de los sensores del robot. Estas entradas y salidas externamente son conectores banana, para poder interconectarlas mas fácil y didácticamente con el PLC(ver Figura 60).

Figura 60. Control por PLC

6.2.2.1 Entradas del PLC.

Las señales que entran de la interfaz del banco, son las

señales de salida del PLC; con las cuales se controla el movimiento de los motores del robot.

Como el Control Lógico Programable(PLC), posee os normalmente abiertos y cerrados programables, solo es necesario habilitar la interfaz, para que el PLC manipule los motores empleando directamente la tarjeta de potencia(con pulsos de +5v).

Conectores Banana

PLC

Va riable de manipula ció n

Interfaz banco

Figura 61. Manejo de salidas del PLC

6.2.2.2 Salidas al PLC. Las señales de salida de la interfaz en el banco, son las señales que entran al PLC para ejercer un control programado del robot, estas señales son las obtenidas por los sensores.

Figura 62. Circuito de control sensores

Pensando en que el voltaje de la interfaz(+5v) no se debe mezclar con el voltaje que maneja el PLC y que el diseño de la interfaz no se debería casar a una sola marca o tipo de PLC, se implementó en la interfaz electroos y óptoacopladores, Como lo muestra la Figura 62.

Las entradas a la tarjeta(sensores) son activas en bajo, estas señales se encuentran en el exterior de la interfaz en conectores banana hembra(figura 60) .

6.2.3

Control por Microprocesador.

La manipulación del robot por medio del

microprocesador se realiza a través de la tarjeta lógica( numeral

41) y la interfaz

externamente tiene un conector de eyección de 40 pines

a) Foto interfaz

b) Descripción de pines

Figura 63. Control por microprocesador

La descripción de cada pin del conector esta dado por la Figura 63 b), en donde se puede distinguir las entradas de los motores y las señales producidas por los sensores.

Esta interfaz permite emplear un microprocesador Z-80, 8086, 8088, etc. para manipular el robot.

6.2.4

Control por Microcontrolador.

Es la interfaz mediante la cual se puede

manipular el robot, empleando un microcontrolador PIC16F84, PIC16C71, PIC12C50x , etc. También se pueden emplear PICs de otras casas fabricantes como motorola.

Figura 64. Control por PIC

Las señales de manipulación de los motores salen del PIC y van directo a la tarjeta de potencia, aunque el punto de conexión(conectores) se encuentren en la tarjeta lógica.

La interfaz en la parte externa cuenta con un conector DB-25, un protoboard y unos bornes de alimentación de +5v DC. La distribución de los pines del conector BD-25 se puede apreciar en la Figura 65, a este conector, el PIC se interconecta teniendo al control del robot.

Figura 65. Conector DB-25

El PIC se puede alimentar desde la interfaz y se instala en el protoboard o armando el circuito necesario para su funcionamiento. Todo microcontrolador para su funcionamiento requiere un circuito externo que le indique la velocidad a la que debe trabajar. Este circuito que se conoce como oscilador o reloj es muy simple, a continuación en la Figura 66 se muestra un oscilados con cristal empleado por el PIC16F84.

Figura 66. Oscilador con cristal

El correcto funcionamiento del PIC, queda bajo la responsabilidad del , el microcontrolador no se debe alimentar con fuentes externas al banco, por lo que la interfaz cuenta con una alimentación de +5v DC.

6.2.5 Control por PC. Es por medio del cual el robot puede ser manipulado a través de un computador personal, éste control se puede realizar de dos formas:

Empleando directamente el puerto paralelo(LPT1ó LPT2) del computador ó apoyándose en una tarjeta I/O K-093 para computadores (de CEKIT o similar de otra casa fabricante).

Figura 67. Control por PC

Para realizar el control desde el computador se creó un software, elaborado en lenguaje de alto nivel.

6.2.5.1 Puerto Paralelo. El puerto paralelo lo tienen todos los computadores personales, con una configuración de pines similar a la que describe la Figura 68 .

Según alguna documentación de PCs, es posible tener hasta 3 puertos paralelos en un computador.

Figura 68. Puerto paralelo

Un computador comúnmente es mas rápido que cualquier periférico, por lo que puede transmitir más datos de los que puede recibir.

Los pines de salida del puerto no son

comúnmente los mismos pines de entrada. Todo depende como se encuentre configurado el puerto y la capacidad del equipo. En la tabla 17 se puede apreciar dirección, bit y pines del puerto. Tabla 17. direcciones, bits y pines del puerto Pin No (DPin No Direction Hardware SPP Signal Type 25) (Centronics) In/out Inverted 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 32 31

17

36

18 - 25

19-30

Nstrobe D at a 0 D at a 1 D at a 2 D at a 3 D at a 4 D at a 5 D at a 6 D at a 7 NAck Busy Paper-Out / Paper-End S e le c t NAuto-Linefeed NError / nFault Ninitialize NSelect-Printer / nSelect-In G round

In/Out O ut O ut O ut O ut O ut O ut O ut O ut In In In In In/Out In In/Out

Control Data Data Data Data Data Data Data Data Status Status Status Status Control Status Control

Yes

In/Out

Control

Yes

Gnd

Yes

Yes

Como la señal del puerto, suministra poca corriente de carga(orden de mA), por seguridad para el puerto y principalmente para el computador, se le adaptó buffers a las señales de salida del puerto, las cuales se dirigen directamente a la tarjeta de potencia.

Figura 69 Buffers

El puerto paralelo se conecta al banco a través de un cable paralelo con conectores DB-25 y en el banco se interconectan(entre dos conectores DB-25) los datos del puerto con las variables de manipulación del robot según la preferencia del , quien debe tener presente que el puerto maneja 8 datos y que el robot para manipular todos los motores requiere 10 datos.

La distribución de los pines del conector(DB-25) en el banco, que contiene las variables de manipulación del robot , es la misma que se empleo en el control por PIC(Figura 65)

6.2.5.2

Tarjeta I/O. Esta otra alternativa de manipulación para el robot,

emplea la

tarjeta lógica del banco, entablando una comunicación con el computador a través de un conector de eyección de 34 pines.

La tarjeta I/O K-093 de CEKIT, la cual cuenta internamente con el integrado IP82C55A; circuito integrado capaz de maniobrar 3 puertos paralelos a partir de uno(ver Figura 71), se puede programar en lenguaje de computador, para manipular el robot.

La distribución de pines del conector de eyección de 34 pines la describe la Figura 70.

Figura 70. Conector de eyección(34 pines)

El estudio del funcionamiento de esta tarjeta es tema a parte, pero el que desee profundizar en este tema le recomiendo el trabajo realizado por el ingeniero Tomas Alberto Valencia titulado “Diseño de una estación de trabajo computarizada para el laboratorio de electrónica de la U.F.P.S.” y los demás trabajos realizados en base a este.

En cuanto a la programación para esta tarjetá, se puede realizar en lenguajes visuales o no visuales como TC, C++, Visual Basic entre otros. A continuación se da un ejemplo para probar el funcionamiento de la tarjeta en lenguaje C(Figura 72).

El proyecto puede tener el control por PC empleando una tarjeta I/O, K-093 de CEKIT, pero este no incluye la tarjeta ni el computador.

a) Descripción de pines

b) estructura interna

Figura 71. Circuito integrado 8255A

#include <stdio.h> #include #include <dos.h> Void main() { int i,cuenta=0; int control=0x80; int base=0x300;

/* palabra de control */ /* dirección base */

outportb(base+3, control); /* modo 0, salidas */ do { delay(10); /* retardo de 10 ms */ for(i=0;i<3;i++); outportb(puerto+i,cuenta); /* valor por puerto */ print”\n%d”,cuenta); /* imprimir valor en pantalla */ cuenta++; /* incrementa valor a sacar */ if(cuenta==256) cuenta==0; /*mantener valor en limites*/ }while(! kbhit()); /*mientras que no se presione tecla*/ }

Figura 72. Programa de prueba de la tarjeta

6.2.5.3 Programación. El programa se denominó simulador robótico “GRIDABOT” y se desarrolló en Turbo C lenguaje de alto nivel. Los inconvenientes en algunos programas ya desarrollados es que requieren una máquina con una muy buena capacidad de trabajo y sólo se pueden ejecutar en una sola plataforma, por lo que se pensó en desarrollar un

software en ambiente gráfico, que no necesitara muchos recursos de máquina y fuera posible ejecutarlo en varios sistemas o plataformas(Windows, Dos, linux, etc.)

6.2.5.3.1 Pantallas. Para el diseño de las pantallas se tuvo en cuenta un ambiente visual agradable al , validación de la información, control de la cantidad de datos a ingreso de la información, evitar pasos extras entre otros.

Las pantallas se diseñaron, para que el pueda manipular o controlar el robot real permitiendo la simulación de procesos industriales; monitoreando de manera visual el estado de los sensores y el manejo independiente de los motores.

Pese a utilizar un lenguaje de programación no visual, el programa tiene un entorno gráfico bastante amigable asemejando el esquema empleado por Windows, pues la plataforma más usada.

Pantalla General :

Contiene el menú con todas las diferentes opciones que da el

programa como es Archivo, Edición, Simulación, Ventanas, Ayuda, y la manipulación de motores, pudiendo seleccionar cualquiera de ellas con clic. Figura 73.

Zona A : Es el área de la pantalla destinada para la barra de titulo de la ventana, en este caso es el lugar donde aparecerá el nombre y el logo del programa.

Zona B : Es la parte destinada para la barra de menú del programa, donde irán las opciones generales que el software puede desarrollar.

a) Diseño

b) Desarrollo Figura 73. Pantalla principal

Zona C : Es el área donde el podrá visualizar el estado de los sensores con los que cuenta el robot.

Zona D : Es el espacio destinado para realizar el dibujo del robot a manipular.

Zona E : Es la parte de la pantalla destinada a la creación de un ambiente virtual, de trabajo para el robot(una celda o proceso industrial).

Zona F : Es el área de control y simulación del motor del robot seleccionado por el . • F1 : Simula el sentido de giro del motor. • F2 : Es donde se ejerce el control por parte del . • F3 : Simula la articulación del motor.

Pantalla Opción dato Puerto : Es la pantalla donde se asigna el bit del puerto paralelo, que manipulará el motor correspondiente en otras palabras es donde se configura el puerto para manipular los motores según se elija.

a) Diseño

b) Desarrollo

Figura 74. Pantalla propiedades puerto

Zona A : Espacio donde irá la barra de titulo de la ventana, en este caso propiedades.

Zona B : Es la parte asignada a la elección del bit del puerto(pin de salida de la información ), por el cual se manipulará el sentido de giro horario del motor seleccionado.

Zona C : Es la parte asignada a la elección del bit del puerto(pin de salida de la información ), por el cual se manipulará el sentido de giro antihorario

del motor

seleccionado.

Pantalla de Mensajes :

Es la ventana que se visualiza cuando el o el

procedimiento normal del programa producen un error, desplegando un mensaje de alerta.

a) Diseño

b) Desarrollo

Figura 75. Pantalla de mensajes

Zona A :

Espacio donde va el titulo de la ventana, en este caso mensaje de alerta o

advertencia .

Zona B : Es la parte asignada para dibujar un logo de alerta y advertencia que el pueda identificar rápidamente.

Zona C : Es el espacio donde se describe(textualmente) el tipo de error generado.

Pantalla Opciones Menú : Es la pantalla de despliegue de las opciones de la barra de menú , en donde existirán subopciones de la opción seleccionada que el puede ver y elegir.

a) Diseño

b) Desarrollo

Figura 76. Pantalla de sudmenú

En el diseño y creación de todas las pantallas y las simulaciones, se valió de todos los recursos que ofrece el modo gráfico de Turbo C (TC), entre otros los archivos de cabecera graphics.H y mouse.H. El código del programa se extendió demasiado, al crear este tipo de ventanas, muy similares a las empleadas en ambiente Windows; puesto que todos los gráficos y los detalles de las ventanas se realizaron a base de funciones como : • Line(“); /* traza una línea */ • Circle( ); /* traza un circulo */

6.2.5.3.2 Salidas del puerto. La señal de salida del puerto paralelo son istradas por la función outpuerto( ) en el programa en TC, pero las funciones directamente del lenguaje que manipula los puertos son uotport( ) ó uotportb( ).

Void outport( int puerto , int palabra ) Void outport( int puerto , int palabra )

Descripción Los prototipos para outport ( )y outportb( ) se encuentran en el archivo de cabecera dos.H. estas funciones no están definidas por el estándar ANSIC.

La función outport( ) coloca el valor de la palabra en el puerto especificado por puerto. El macro outportb( ) coloca el byte especificado en el puerto especificado. Ejemplo:

El siguiente fragmento de código, escribe el número 15 del sistema decimal en el puerto paralelo en forma binaria. En el parámetro palabra de

la función outport( ), se puede expresar el numero en sistema decimal,

hexadecimal ó binario. El parámetro puerto describe la dirección del puerto que se va a manipular(en sistema hexadecimal).

Outport(0x378, 15); = Outport(0x378, 0xF);

La función hace que el puerto saque el dato al puerto como lo describe la Figura 77.

Figura 77 Salida de información del puerto

7. CONCLUSIONES

El presente proyecto dota al laboratorio de una herramienta, en la que se pueden desarrollar diferentes prácticas con diferentes tecnologías en un ambiente más real.

La robótica ha ganado un reconocimiento de carácter interdisciplinario a nivel mundial, por lo que la formación del profesional amante del área, debe adquirir la confluencia de varías materias como electrónica, sistemas, mecánica, automática y control entre otras.

La experiencia adquirida con el desarrollo del proyecto más la participación en diversas actividades en su transcurso, son logros muy importantes pero más importante y grato es la cultura de investigación que se ha infundido en el grupo de investigación de Inteligencia Artificial de la U.F.P.S.

Es posible el trabajo conjunto tanto de estudiantes como docentes de diferentes disciplinas para lograr un propósito; la investigación.

8. RECOMENDACIONES

Antes de iniciar con sección de prácticas se debe probar el perfecto funcionamiento de los diferentes movimientos que tiene el brazo, para detectar posibles fallas mecánicas o eléctricas tanto en los motores como en los sensores. Esto se puede realizar con el control manual pues el control manual me ofrece una ventaja para manipular el robot sin dañar ningún otro elemento externo como el P.L.C, PIC o el PC entre otros .

El debe tener conocimientos claros y precisos, en cuanto a la tecnología y elementos que requiere utilizar, para manipular el robot con el control programable deseado.

Las tecnologías, para las cuales se construyeron las interfases del banco, pueden tener algunas similitudes en conceptos y utilidad, pero son totalmente diferentes y no se deben confundir o asemejar.

Los sistemas de transmisión de las articulaciones(engranajes) se dañan al continuar el movimiento, después de haber llegado a su límite. Se recomienda emplear las señales de los sensores para evitar este efecto.

Las tierras del microprocesador y del PC se deben unirse(ser comunes), con la tierra de la correspondiente interfaz del banco, para el optimo funcionamiento de las señales.

La verificación detallada de las todas las conexiones empleadas antes de suministrar voltaje.

BIBLIOGRAFIA

Andrei M. Shkel, and Vladimir J. Lumelsky. Incorporating Body Dynamics Into SensorBased Motion Planing: The Maximum Turn Strtegy. IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 13, No. 6, December, 1997.

Chia-Han Lin, Ling-Ling Wang. Intelligent collision avoidance by fuzzy logic control. Robotics and Autonomous Systems. 1997. 120 p.

Dieter Fox, Wolfram Bugard, and Sebastian Thrun. The Dynamic Window Approach to Collision Avoidance. IEEE Robotics and Automation. Vol. 4. No. 1. March, 1997.

Ishay Kamon, Ehud Rivlin. Sensory-Based Motion Planning with Global Proofs. IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 13, No. 6, December, 1997.

J. Vandorpe, H. Van Brussel. A Reflexive Navigation Algorithm for na Autonomous Mobile Robot. Proc. IEEE Intenational Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems. 1994.

Kasuo Tanaka, Takahiro Kosaki, and Hua O. Wand. Backing Control Problem of a Mobile Robot with Multiple Trailers: Fuzzy Modeling and LMI-Based Design. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics. Vol. 28. No. 3. August, 1998.

Maurice R. Masliah, and Robert W. Albercht. The Mobile Robot Surrogate Method for Developing Autonomy. IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 14, No. 2, April, 1998.

Rodney A. Brooks. A Robust Layered Control System for a Mobile Robot. A. I. Memo 864. Massachusetts Institute of Technology Artificial Intelligence Laboratory. September, 1985.

Sharon Laubach, Joel W. Burdick, and Larry Matthies. Autonomus Path-Planning for the Rocky 7 Protot ype Microrover. Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1998.

BUITRAGO TRILLOS, Alvaro. Automatizacion de un brazo robotico por microprocesador, San Jose de Cúcuta: Tesis U.F.P.S., 1996, 216 p.

RENTERIA ARANTXA, RIVERA MARIA. Robótica industrial fundamentos y aplicacilones, españa: McGraw Hill, 2000, 309 p.