U J Escuela Politécnica Superior de Jaéntauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/9355/1/TFG...

Alumna: Inmaculada Casanova González Tutor: Prof. D. Pedro J. Casanova Peláez Dpto: Ingeniería Electrónica y Automática

Junio, 2018

DISEÑO DE UN BRAZO

ROBÓTICO FABRICABLE

MEDIANTE IMPRESORA 3D

UNIVERSIDAD DE JAÉN Escuela Politécnica Superior de Jaén

Trabajo Fin de Grado

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Universidad de Jaén Escuela Politécnica Superior de Jaén

Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática

Don Pedro J. Casanova Peláez, tutor del Proyecto Fin de Carrera titulado: Diseño de un brazo robótico fabricable mediante impresora 3D, que presenta Doña Inmaculada Casanova González, autoriza su presentación para defensa y evaluación en la Escuela Politécnica Superior de Jaén.

Jaén, Junio de 2018

La alumna: El tutor:

Inmaculada Casanova González Pedro J. Casanova Peláez

A mi director de TFG, que ha sido como un padre para mí.

A mi madre, que nos ha aguantado a los dos en casa.

Y a Rocío, que en cuanto lo supo huyó a Granada.

Índice RESUMEN ............................................................................................................................. 11

ABSTRACT ............................................................................................................................ 13

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 17

1.1. Brazos robóticos ...................................................................................................... 17

1.1.1. Elementos o sistemas de un robot industrial .................................................... 18

1.1.2. Características básicas de un robot industrial .................................................. 23

1.2. Impresión 3D ............................................................................................................ 24

1.2.1. Impresoras 3D cartesianas y movimiento RepRap .......................................... 25

1.2.2. Proceso de impresión 3D por deposición fundida ............................................ 26

1.2.3. Parámetros de impresión .................................................................................. 28

1.2.4. Software de laminado ....................................................................................... 29

2. DISEÑO MECÁNICO DEL BRAZO ROBÓTICO ............................................................ 33

2.1. Especificaciones del brazo robótico ......................................................................... 33

2.2. Selección de actuadores .......................................................................................... 34

2.3. Diseño de piezas ..................................................................................................... 39

2.3.1. Base .................................................................................................................. 40

2.3.2. Hombro ............................................................................................................. 40

2.3.3. Brazo ................................................................................................................ 41

2.3.4. Antebrazo ......................................................................................................... 42

2.3.5. Muñeca: muñecas A y B ................................................................................... 43

2.3.6. Soporte de la pinza ........................................................................................... 44

2.3.7. Pinza: pinzas A y B ........................................................................................... 44

2.4. Fabricación de piezas .............................................................................................. 45

2.5. Montaje .................................................................................................................... 46

2.5.1. Montaje base-hombro ....................................................................................... 46

2.5.2. Montaje antebrazo ............................................................................................ 47

2.5.3. Montaje soporte-pinzas .................................................................................... 48

2.5.4. Montaje brazo ................................................................................................... 48

2.5.5. Montaje muñeca ............................................................................................... 49

2.5.6. Montaje elemento terminal ............................................................................... 50

2.5.7. Cableado .......................................................................................................... 50

3. ANÁLISIS CINEMÁTICO ................................................................................................ 55

3.1. Cinemática directa ................................................................................................... 55

3.2. Cinemática inversa .................................................................................................. 60

3.3. Par máximo .............................................................................................................. 67

4. SISTEMA DE CONTROL ................................................................................................ 73

4.1. Requerimientos y selección del sistema .................................................................. 73

4.2. Hardware y conexiones ........................................................................................... 74

4.3. Software y funcionamiento ....................................................................................... 81

5. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 91

Bibliografía ............................................................................................................................. 95

Anexo 1: Código Fuente ......................................................................................................... 99

Anexo 2: Lista de materiales ................................................................................................ 109

Anexo 3: Diseño de la caja que aloja el sistema de control ................................................. 113

Anexo 4: Galería fotográfica ................................................................................................. 119

Anexo 5: Planos ................................................................................................................... 125

Índice de ilustraciones

Ilustración 1: Ejemplos de robots industriales ........................................................................ 17

Ilustración 2: Configuración del brazo robótico ...................................................................... 18

Ilustración 3: Morfología de un brazo robótico ....................................................................... 19

Ilustración 4: Componentes del extrusor ................................................................................ 25

Ilustración 5: Impresora 3D RepRap utilizada en este trabajo ............................................... 26

Ilustración 6: Esquema de una impresora 3D cartesiana, elementos principales y ejes ....... 27

Ilustración 7: Diagrama de bloques del sistema de control del accionamiento ...................... 34

Ilustración 8: Servomotores utilizados .................................................................................... 35

Ilustración 9: Señal PWM para posicionamiento del servomotor en diversos ángulos. ......... 36

Ilustración 10: Esquema de los servomotores acotados ........................................................ 37

Ilustración 11: Detalle de la corona dentada .......................................................................... 38

Ilustración 12: Dimensiones de las palas utilizadas ............................................................... 39

Ilustración 13: Base ................................................................................................................ 40

Ilustración 14: Hombro ........................................................................................................... 40

Ilustración 15: Brazo ............................................................................................................... 41

Ilustración 16: Antebrazo ........................................................................................................ 42

Ilustración 17: Muñeca ........................................................................................................... 43

Ilustración 18: Soporte de la pinza ......................................................................................... 44

Ilustración 19: Pinzas ............................................................................................................. 45

Ilustración 20: Montaje base-hombro ..................................................................................... 47

Ilustración 21: Montaje antebrazo .......................................................................................... 47

Ilustración 22: Montaje soporte-pinzas ................................................................................... 48

Ilustración 23: Montaje brazo ................................................................................................. 49

Ilustración 24: Montaje muñeca ............................................................................................. 49

Ilustración 25: Montaje elemento terminal .............................................................................. 50

Ilustración 26: Brazo robótico montado .................................................................................. 51

Ilustración 27: Brazo robótico montado .................................................................................. 51

Ilustración 28: Eslabones y articulaciones del brazo robótico ................................................ 57

Ilustración 29: Sistemas de referencia ................................................................................... 57

Ilustración 30: Cadena cinemática del brazo robótico para una posición dada ..................... 63

Ilustración 31: Cadena cinemática del robot con ángulos y coordenadas articulares ............ 64

Ilustración 32: Disposición de máximo par resistente ............................................................ 67

Ilustración 33: Distribución de pines de la placa Arduino UNO .............................................. 74

Ilustración 34: Placa Arduino UNO r3 .................................................................................... 75

Ilustración 35: Fuente de alimentación externa ...................................................................... 75

Ilustración 36: Servomotores .................................................................................................. 76

Ilustración 37: Potenciómetro ................................................................................................. 76

Ilustración 38: LEDs ............................................................................................................... 77

Ilustración 39: Pulsador .......................................................................................................... 77

Ilustración 40: Módulo de comunicación Bluetooth HC-06 ..................................................... 77

Ilustración 41: Shield de prototipos ........................................................................................ 78

Ilustración 42: Esquema de conexión .................................................................................... 79

Ilustración 43: Diagrama del shield de prototipos .................................................................. 80

Ilustración 44: Fotografía del sistema de control .................................................................... 80

Ilustración 45: Sistema de control, vista superior ................................................................... 81

Ilustración 46: Ordinograma de posicionamiento ................................................................... 82

Ilustración 47: Aplicación de control Bluetooth ....................................................................... 86

Ilustración 48: Parte inferior de la caja ................................................................................. 113

Ilustración 49: Parte superior de la caja ............................................................................... 114

Ilustración 50: Botones ......................................................................................................... 114

Ilustración 51: Montaje de la caja ......................................................................................... 115

Ilustración 52: Caja cerrada ................................................................................................. 115

Ilustración 53: Fotografía de la caja ..................................................................................... 116

Ilustración 54: Brazo robótico en la posición de inicio .......................................................... 119

Ilustración 55: Proceso de montaje ...................................................................................... 120

Ilustración 56: Vista del sistema electrónico ........................................................................ 121

Ilustración 57: Brazo robótico en diferentes posiciones ....................................................... 122

Índice de tablas

Tabla 1: Tipos de articulaciones ............................................................................................. 20

Tabla 2: Tipos de estructuras ................................................................................................. 21

Tabla 3: Características de los microservomotores utilizados ............................................... 37

Tabla 4: Valor de la constante k para los 3 servomotores ..................................................... 38

Tabla 5: Parámetros del material y de impresión ................................................................... 45

Tabla 6: Características de las piezas impresas .................................................................... 46

Tabla 7: Parámetros de Denavit-Hartenberg ......................................................................... 58

Tabla 8: Peso de cada pieza .................................................................................................. 67

Tabla 9: Cálculo del par resistente en el hombro ................................................................... 68

Tabla 10: Cálculo del par resistente en el codo ..................................................................... 69

Tabla 11: Características Arduino UNO r3 ............................................................................. 74

Tabla 12: Asignación de pines ............................................................................................... 78

Tabla 13: Comandos .............................................................................................................. 85

Tabla 14: Función de los botones de la aplicación ................................................................ 87

Tabla 15: Lista de materiales ............................................................................................... 109

Tabla 16: Lista de planos ..................................................................................................... 125

Inmaculada Casanova González Diseño de un brazo robótico fabricable mediante impresora 3D

11 Escuela Politécnica Superior de Jaén

RESUMEN

Este trabajo consiste en el diseño de un brazo robótico de 5 grados de libertad,

desarrollando los modelos CAD de las piezas para su fabricación mediante

impresora 3D utilizando la tecnología de modelado por deposición fundida (FDM) y

sirviéndose de servomotores de bajo coste para su movimiento.

Quiere probarse la viabilidad de este método de fabricación, fabricación

mediante impresora 3D, para obtener un manipulador robótico garantizando ciertas

prestaciones, en este caso, que pueda desplazar piezas pequeñas dentro de su

zona de trabajo.

Previo al proceso de obtención del brazo robótico, se introducen principios

teóricos necesarios para entender los conceptos básicos en los que se basa este

trabajo. Posteriormente se desarrolla el trabajo en cuatro fases hasta lograr el

objetivo perseguido. La primera trata del diseño de las piezas que conformarán el

robot, realizado por ordenador mediante un programa CAD. La segunda consiste en

la fabricación de las piezas diseñadas utilizando una impresora 3D de bajo coste, así

como del ensamblaje de las mismas. En la tercera se realiza el estudio cinemático

del robot, necesario para proceder a la cuarta y última fase, basada en el sistema de

control del brazo, con el que se conseguirá que el brazo realice tareas útiles.

Finalmente, habiendo analizado los resultados obtenidos, se establecerán las

conclusiones a las que se llegan en este proyecto.

Cabe destacar que el objetivo de este trabajo no es la obtención de un

manipulador robótico con prestaciones industriales, sino una primera aproximación a

un diseño con elementos de bajo coste para determinar la viabilidad de la tecnología

FDM en este tipo de diseños.



ABSTRACT

This project consists on the desing of a robotic arm with 5 degrees of freedom,

developing the CAD models of the pieces for its manufacture by 3D printer using the

technology of Fussed Deposition Modelling (FDM) and employing low cost

servomotors for its movement.

It is looked to prove the viability of this manufacturing method, to obtain a

robotic manipulator guaranteeing certain features, in this case, the ability of moving

small pieces within its work area.

Prior to the process of obtaining the robotic arm, theorical pinciples are

introduced in order to understand basic concepts on which this project is based.

Subsequently, the project is developed in four phases to achieve the objective

pursued. First one deals with the design of the pieces that will make up the robot,

made by computer through a CAD program. Second one consist on the manufacture

of the designed parts using a low cost 3D printer, as well as the assembly of the

robot. In the third one, the kinematic study of the manipulator is conducted, which is

necessary to proceed to the fourth and last phase, based on the control system of

the robotic arm which will allow the arm to perform useful tasks. Finally, having

analyzed the results obtained, the conclusions reached in this projects will be

established.

It should be note that the objective of this project is not to obtain a robotic

manipulator with industrials features, but a first approximation to a design with low

cost elements to determine the viability of the FDM technology in this type of designs.

1. INTRODUCCIÓN



1. INTRODUCCIÓN

La Asociación Internacional de Estándares (ISO) define robot industrial como:

“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”.

Ilustración 1: Ejemplos de robots industriales

Este trabajo consiste en el diseño y fabricación de un brazo robótico mediante

impresión 3D, por lo que se introducirán a continuación algunos conceptos sobre

este tipo de manipuladores robóticos, que son sistemas mecánicos multifuncionales

con un sistema de control que puede ser manual, de secuencia fija o de secuencia

variable. Posteriormente se hará una introducción a la tecnología y funcionamiento

de las impresoras 3D.

1.1. Brazos robóticos

Un robot industrial se diferencia con respecto a otras máquinas

fundamentalmente en su capacidad de adaptación a diferentes trabajos, dentro de

unas limitaciones. Estas limitaciones vendrán impuestas por dos factores: los

elementos o sistemas que conforman al robot y sus parámetros característicos.



El primer factor se refiere a las partes que constituyen el robot. En un

manipulador robótico industrial se distinguen los siguientes sistemas o partes

fundamentales (Ilustración 2): brazo o manipulador, elemento terminal o mano,

sistemas motrices o actuadores, sistema de control y sistema de percepción.

Ilustración 2: Configuración del brazo robótico

El segundo factor se refiere al conjunto de características básicas que poseen

los robots (características comunes a todos ellos), donde se pueden citar: capacidad

de carga, grados de libertad, espacio de trabajo, precisión, velocidad y

programabilidad.

Ambos factores determinarán las características y aplicaciones del robot, por lo

que son de vital importancia a la hora de diseñarlo.

1.1.1. Elementos o sistemas de un robot industrial

Manipulador

El manipulador lo constituye la estructura mecánica del robot, exceptuando el

elemento terminal. Es un mecanismo compuesto generalmente por elementos en

serie, articulados o deslizantes entre sí, cuyo objetivo es el agarre y desplazamiento

de objetos con diversos grados de libertad. Es multifuncional y puede ser mandado

directamente por un operador humano o por cualquier sistema lógico. Debido a su

parecido morfológico y funcional, en la mayoría de los diseños, con el brazo

humano, recibe también el nombre de “brazo” robótico.



El manipulador está formado por varios elementos rígidos, denominados

enlaces o eslabones, relacionados entre sí por uniones que permiten su movimiento

relativo, denominadas juntas o articulaciones.

Al conjunto de eslabones y articulaciones se le llama cadena cinemática. Se

dice que una cadena cinemática es abierta si cada eslabón se conecta mediante

articulaciones exclusivamente al anterior y al siguiente; exceptuando el primero, que

se suele fijar a un soporte, y el último, cuyo extremo final queda libre.

Por analogía con el cuerpo humano, a los elementos rígidos del manipulador,

normalmente 3, se le denominan: cuerpo, brazo y antebrazo; y a las articulaciones:

hombro, codo, muñeca y mano. Como se muestra en la Ilustración 3.

Ilustración 3: Morfología de un brazo robótico

Existen diferentes tipos de articulaciones, que se caracterizan por el

movimiento que permiten entre los elementos que enlazan. Se pueden distinguir las

nombradas en la Tabla 1.



Esquema Articulación Grados de libertad

Rotacional 1

Prismática 1

Cilíndrica 2

Planar 2

Esférica 3

De tornillo 2

Tabla 1: Tipos de articulaciones

La combinación y distribución de las diferentes articulaciones a lo largo de la

cadena cinemática que forma el manipulador llevará a una configuración

determinada del mismo. Existen cuatro estructuras fundamentales: cartesiana,

cilíndrica, esférica y articulada. Las cuales corresponden con los sistemas de

coordenadas cartesianas, cilíndricas, esféricas y angulares o de revolución (Tabla

2).



Esquema Estructura

Estructura cartesiana

Estructura cilíndrica

Estructura polar

Estructura angular

Tabla 2: Tipos de estructuras

Sin embargo, hoy en día se utilizan otras estructuras especiales como por

ejemplo la estructura Scara, mezcla de estructura cilíndrica y articulada, y la

estructura Pendular, que consiste en una estructura esférica suspendida.

Elemento terminal

El elemento terminal es el dispositivo que se acopla al último eslabón del

manipulador (la muñeca) y permite al brazo realizar la labor deseada. Es un



dispositivo especial que permite al robot de uso general realizar una aplicación

particular, por lo que deber ser diseñado específicamente para dicha aplicación.

Existen dos tipos principales de elementos terminales:

o Manos: se utilizan para agarrar un objeto, normalmente la pieza de trabajo, y

sujetarlo durante el ciclo de trabajo del robot. Según el método de sujeción que

utilicen pueden ser manos de sujeción a presión, por enganche, por contacto,

entre otros. Además de las pinzas, existen otros dispositivos como ventosas,

pinzas magnéticas, adhesivas, cucharas, ganchos, en etc.

o Herramientas: se utilizan en aplicaciones donde el robot tenga que realizar

alguna operación sobre la pieza de trabajo, como soldadura por puntos,

soldadura por arco, pintura por pulverización, operaciones de taladrado… en

todos los casos una herramienta particular está unida a la muñeca del robot para

poder realizar la operación.

Sistemas motrices

Los sistemas motrices son todos los elementos que intervienen en la

generación del movimiento del manipulador.

Se denominan elementos motrices o actuadores a los dispositivos que

producen y controlan el movimiento de las articulaciones. Se suelen clasificar según

el tipo de energía que empleen en elementos motrices neumáticos, hidráulicos y

eléctricos.

Se utilizan actuadores de diferentes tipos según la velocidad y capacidad de

carga deseada, por ejemplo para grandes cargas son útiles los actuadores

hidráulicos mientras que los neumáticos permiten mayores velocidades. No

obstante, por su facilidad de control y conexionado así como por su fiabilidad, los

más utilizados son los motores eléctricos en sus distintas variantes (de corriente

continua o alterna, paso a paso, etc.).



Sistema de control

El sistema de control de un robot industrial es el que permite colocar al brazo

robot en la posición y orientación deseada, por tanto determinará cómo lleva a cabo

su trabajo.

Se pueden clasificar los sistemas de control en función del tipo de sensores

que utilicen. Un primer tipo será aquel que carece de sensores, denominado control

en lazo abierto. En el segundo se encuentran aquellos que poseen sensores

propioreceptivos que permiten determinar el estado del manipulador, llamado

sistema de control en lazo cerrado con realimentación interna. Por último, hay robots

que cuentan además con sensores externoreceptivos que permiten al robot recibir

información de su entorno, lo que se conoce como sistema de control en lazo

cerrado con realimentación del entorno.

El sistema de control debe gobernar la actuación del robot, sus sistemas

motrices, para alcanzar las sucesivas posiciones que indique el programa contando

con la información de sus sensores.

Sistema de percepción

El sistema de percepción está constituido por un conjunto de elementos que

permiten al robot conocer algún parámetro interno a él o de su entorno. Teniendo

esto en cuenta, como se ha dicho antes, se diferencian dos tipos de sistemas de

percepción: de parámetros internos (propioreceptivos) y de parámetros externos

(externoreceptivos)

Serían sensores propioreceptivos por ejemplo los transductores de posición,

velocidad y aceleración de los eslabones y articulaciones del brazo; mientras que se

consideran sensores externoreceptivos los que miden resultados del proceso que

realiza el robot como por ejemplo un sensor de presencia de la pieza a manipular o

una cámara para control de la calidad del acabado.

1.1.2. Características básicas de un robot industrial

Existe un conjunto de características, comunes a todos los robots, que

determinan si un robot es adecuado o no para una aplicación concreta.



Capacidad de carga: peso máximo que el robot puede manipular. Viene

determinada por la configuración y construcción del manipulador y el sistema

motriz. Debe especificarse en la posición más débil del brazo.

Grados de libertad: número de parámetros que es preciso conocer para

determinar la posición del robot, es decir, los movimientos básicos

independientes que posicionan a los elementos de un robot en el espacio.

Espacio de trabajo: conjunto de puntos en los que puede situarse el elemento

terminal del robot.

Precisión: vendrá en función de la resolución espacial, la exactitud y la

repetitividad. La primera se define como el incremento más pequeño de

movimiento en el que el robot puede dividir su volumen de trabajo; la segunda se

refiere a la capacidad del robot para situar el extremo de su muñeca en un punto

de destino concreto; la tercera está relacionada con la capacidad del robot para

situar su muñeca en un punto que se hubiera “enseñado” con anterioridad al

robot.

Velocidad: rapidez con la que el robot puede realizar un ciclo de trabajo

determinado. La determinación de la velocidad óptima dependerá de factores

como: la exactitud con la que debe situarse la muñeca, el peso de la pieza que

se manipula y la distancia a recorrer.

Programabilidad: posibilidades de programación del robot. Viene determinada

por el sistema de control del mismo.

1.2. Impresión 3D

La impresión 3D o fabricación aditiva (también conocida por sus siglas en

inglés, AM –Additive Manufacturing) es un proceso por el cual un modelo 3D es

convertido en un objeto físico mediante la adición capa por capa de material. Con los

años, varias tecnologías de impresión 3D se han desarrollado en la industria con la

característica común de crear un modelo físico capa por capa. Dentro de estas

tecnologías, una de las técnicas de más relevancia y posiblemente la más conocida

sea la denominada modelado por deposición fundida o FDM (por sus siglas en

inglés, Fused Deposition Modelling). Esta consiste en la extrusión de material

fundido, a través de una boquilla, para imprimir en 3D sucesivas secciones

transversales de un objeto capa a capa hasta que sea completado. Se suele



emplear para generar geometrías complejas y piezas funcionales, como prototipos,

piezas de producción de pequeño volumen, etc. A continuación se muestran los

componentes de un extrusor (Ilustración 4).

Ilustración 4: Componentes del extrusor

1.2.1. Impresoras 3D cartesianas y movimiento RepRap

La impresora que se va a utilizar para este trabajo utiliza la impresión por

material fundido, FDM, pero además se puede clasificar por el tipo de coordenadas

que utiliza para mover el extrusor y por su ámbito de uso.

En este trabajo se utilizará una impresora cartesiana. Las impresoras 3D

cartesianas son el tipo de impresoras más común en el mercado. Reciben este

nombre debido a que utilizan el sistema de coordenadas cartesiano para el

movimiento. Se basan en tener un espacio de impresión cuadrado o rectangular y en

mover el extrusor de filamento en los 3 ejes cartesianos: X, Y y Z. Por lo general, un

motor se encarga de mover la base (eje Y), otro de mover el extrusor en horizontal

(eje X) y dos motores mueven todo el mecanismo que compone el eje X arriba y

abajo (eje Z), para cubrir los 3 ejes. Un quinto motor se aloja en el extrusor, y se

encarga de la alimentación de material en forma de filamento para que, una vez

fundido, salga un fino hilo por la boquilla.



Además, la impresora utilizada es una RepRap (Ilustración 5), las cuales se

caracterizan por ser de uso doméstico. Las impresoras RepRap son impresoras

económicas, fáciles de construir, autorreplicables (una vez construidas pueden

imprimir piezas para construir otra igual) y de código abierto, el cual puede ser

modificado, mejorado, creado, etc. por cualquier usuario.

Ilustración 5: Impresora 3D RepRap utilizada en este trabajo

1.2.2. Proceso de impresión 3D por deposición fundida

Como se ha mencionado previamente, la técnica de modelado por deposición

fundida es de las más extendidas en impresión 3D y es la que usa la impresora

escogida. Esta se basa en 3 elementos principales: una cama o base de impresión

en la que se imprime la pieza, una bobina de filamento que sirve como material de

impresión y un extrusor (Ilustración 6).

Todo comienza con el diseño del objeto que se desea imprimir utilizando un

software CAD (como Catia, Solidworks, Tinkercad, entre otros). El archivo

conteniendo el modelo 3D resultante, en su mayoría en formato STL (Standar



Triangle Language), se divide en varias capas utilizando un software de laminado

denominado “slicer” (como Cura, Makerware o Repetier) en el que es posible

seleccionar los distintos parámetros de impresión. Este software generará un fichero

que contendrá las instrucciones para la impresora en lenguaje GCODE. Hecho esto,

se puede iniciar la impresión. Primero la máquina se calentará hasta alcanzar la

temperatura de trabajo, que dependerá del material que se utilice. Entre los

materiales de impresión 3D más comúnmente usados en la deposición por fusión se

encuentran el PLA y el ABS, ambos polímeros termoplásticos. Una vez alcanzada la

temperatura de trabajo, se extruye un filamento de material sobre la plataforma a

través de una boquilla que se mueve a lo largo de 3 ejes X, Y y Z. En el

funcionamiento habitual, la altura en el eje Z permanece constante mientras se

rellena una capa de material desplazando la boquilla en los ejes X e Y. Terminada la

capa, se eleva la boquilla en el eje Z una altura igual al espesor de capa

especificado y, moviéndose de nuevo en los ejes X e Y, imprime la siguiente capa.

Realiza el mismo proceso con las capas sucesivas hasta que el objeto está

terminado.

Ilustración 6: Esquema de una impresora 3D cartesiana, elementos principales y ejes



1.2.3. Parámetros de impresión

Algo muy importante para la obtención de piezas 3D con calidad son los

parámetros de impresión, los cuales se deben ajustar a cada material, a cada pieza,

e incluso al modelo de impresora. Configurar adecuadamente estos parámetros es

crucial para obtener las características deseadas para la pieza diseñada.

Velocidad de impresión: la velocidad a la que se imprimirá la pieza. Cuanto

más rápida sea la impresión, peor acabado se conseguirá, por lo que hay que

ajustar el valor en función de la calidad que se desee obtener. También hay que

tener en cuenta que a mayor velocidad de impresión, mayor ha de ser la

temperatura para que el material pueda fundir y mantener la tasa de deposición.

Temperatura de impresión: es la temperatura a la que se extruye el plástico.

Dependerá del material utilizado. Por regla general a mayor temperatura de

impresión se podrá imprimir a mayor velocidad sin disminuir la calidad, pero la

temperatura es un parámetro que no se puede subir todo lo que se quiera ya que

una temperatura muy alta podría causar deformaciones en la pieza y goteo de

material durante la impresión. Normalmente el fabricante del material proporciona

el rango de temperaturas en las que se debe trabajar, pero será el usuario quién

tendrá que hallar la temperatura idónea para el material y la impresora que esté

usando.

Temperatura de la cama: la base de impresión en la mayoría de impresoras es

calefactable, de ahí que reciba el nombre de cama caliente. Este tipo de camas

sirve para mantener el plástico ya depositado adherido a la superficie. Este

parámetro es especialmente importante cuando se imprime con ABS o nylon.

Diámetro de la boquilla: este parámetro está ligado a la calidad de la pieza,

limitándola. La boquilla por la que sale el filamento tiene un diámetro concreto,

por debajo de ese valor la impresora no podrá imprimir. Por tanto, a la hora de

diseñar hay que tener en cuenta que la impresora no será capaz de imprimir

detalles por debajo del diámetro de la boquilla.

Altura de capa: define el espesor de cada capa en el eje Z. A menor altura de

capa, más definición tendrá la pieza, pero más tiempo tardará la impresión



Densidad de relleno: indica el relleno que va a tener la figura. El relleno

repercute directamente en el tiempo de impresión y en la resistencia de la pieza,

por ello dependerá de las características mecánicas que se quieran conseguir.

Soportes: será necesario añadir soportes si alguna parte de la pieza impresa no

se encuentra apoyada sobre la capa anterior (está en el aire).

Superficie de adhesión: base destinada a ampliar la superficie de contacto en la

primera capa de la pieza, ayudándola a mantenerse pegada a la plataforma. Si

determinada pieza lo necesitara, se puede elegir entre dos tipos, conocidos como

“brim” y “raft”. El primero añade una serie de perímetros extra en la primera capa

y el segundo es una capa base cuadriculada sobre la cual se imprimirá la pieza.

Aunque existen configuraciones más avanzadas, estos son los parámetros

principales que hay que tener en cuenta al utilizar la impresora. La elección tomada

en este punto será decisiva para obtener los resultados esperados, por eso uno de

los mayores hándicaps al imprimir piezas en 3D es ajustar los parámetros a las

necesidades de la pieza diseñada.

1.2.4. Software de laminado

Como se mencionó anteriormente, una vez obtenido el archivo con el modelo

3D del objeto diseñado es necesario utilizar un software “slicer” que divide el modelo

3D en capas y genera las instrucciones que seguirá la impresora. Estas

instrucciones vendrán en lenguaje GCODE, y contendrán la información de los

puntos del espacio (en coordenadas x,y,z) donde debe haber material y el orden

correcto de ejecución de esos puntos para que la fabricación sea posible.

Entre los numerosos programas de laminado que existen, se ha elegido Cura

para este proyecto. Cura es un software de código abierto, fácil de usar y que

permite administrar las configuraciones de impresión 3D más importantes en una

interfaz clara. Con este software se convertirá el archivo STL, que contiene el

modelo 3D, en GCODE, que es el lenguaje de las impresoras 3D.

2. DISEÑO MECÁNICO DEL

BRAZO ROBÓTICO



2. DISEÑO MECÁNICO DEL BRAZO ROBÓTICO

En este capítulo se hablará del proceso de diseño del brazo robótico. En primer

lugar se definieron los requerimientos que debe cumplir el robot. A continuación se

eligieron los actuadores que mejor se adecuaban a la aplicación deseada. En base a

esta selección y teniendo en cuenta el proceso de fabricación (fabricación mediante

impresión 3D), se han diseñado los elementos del brazo. Tras haber finalizado el

diseño de las piezas, se ha procedido a su fabricación, siendo en este punto de vital

importancia la elección de los parámetros de impresión. Por último se ha realizado el

montaje del robot.

2.1. Especificaciones del brazo robótico

Una fase fundamental en el proceso de diseño es definir qué se quiere

conseguir con el objeto a diseñar. Solo una vez planteados los objetivos que se

desean cumplir, se podrá elegir entre las múltiples opciones existentes la que mejor

se adapta a la aplicación perseguida. Todo esto sin olvidarse nunca de las

limitaciones que pueda haber, impuestas por múltiples factores como el coste, el

proceso de fabricación, el material con el que se trabaja, la tecnología disponible,

etc.

En este trabajo se quiere obtener un brazo robótico capaz de manipular piezas

pequeñas desplazándolas (mediante rotación y traslación) dentro de su zona de

trabajo. Para lograr esto se ha decidido que el robot sea un brazo manipulador de

configuración angular, con 5 grados de libertad, articulaciones rotacionales y un

elemento terminal en forma de pinza.

Además se persigue que el brazo sea fabricado mediante impresora 3D. Este

aspecto debe tenerse en cuenta en todo el proceso de diseño de las piezas que

conforman el robot, ya que trae consigo una serie de condicionantes como son: las

dimensiones del espacio de impresión, la fabricabilidad de las piezas, las

características del material utilizado…



2.2. Selección de actuadores

Para un correcto posicionamiento de cada una de las articulaciones es

necesario disponer de un par motor adecuado y una velocidad angular no

excesivamente alta. Los elementos motrices más adecuados para esta aplicación

son los motores eléctricos de corriente continua e imán permanente ya que pueden

encontrarse de pequeño tamaño y son fáciles de controlar. Sin embargo, el tipo de

motor mencionado ofrece mejores prestaciones a elevadas velocidades de giro por

lo que se hace necesario el uso de un mecanismo reductor de velocidad, a base de

engranajes, que a su vez aumente el par disponible.

Obviamente es necesario disponer de un sensor para la medida del ángulo del

eje de salida del reductor para posicionar de forma precisa cada articulación; esta

medida se realiza mediante un potenciómetro acoplado a dicho eje cuya resistencia

será proporcional al ángulo girado.

Finalmente deberá realizarse un control sobre el giro del motor que lleve el eje

de salida a la posición deseada y lo mantenga en ella; este control se realiza

mediante un sistema electrónico.

En la Ilustración 7 se muestra el diagrama de bloques de este sistema: el

ángulo del eje es medido mediante el potenciómetro. La medida se compara con la

referencia obteniéndose una señal de error que es usada por el regulador para

modificar la cantidad de actuación y por tanto la velocidad de giro del motor. El giro

del motor provoca a través del reductor una variación en el ángulo del eje de salida

que es continuamente medido para mantenerlo en la posición deseada.

Ilustración 7: Diagrama de bloques del sistema de control del accionamiento

2.2.1. Servomotores

Se entiende por servomotor la unión de un motor eléctrico con un reductor

mecánico, un sistema de medida del ángulo de giro del eje de salida de potencia y



un sistema de control que reciba el ángulo deseado y lleve el eje a dicha posición

manteniéndolo en la misma incluso en presencia de perturbaciones externas

(variaciones del par resistente).

Los servomotores son ampliamente utilizados ya que incorporan todos los

elementos necesarios para poder realizar un correcto posicionamiento angular

existiendo en el mercado una gran gama de tamaños y pares motores. En este

trabajo se han utilizado pequeños servomotores habituales en radiocontrol.

A continuación se describe el modo de operación de los conocidos como

“microservos”, que son servomotores de pequeña potencia y tamaño. En el

accionamiento del brazo robótico han sido utilizados tres modelos diferentes de

tamaño similar pero con pares motores crecientes para vencer los diferentes pares

resistentes de cada articulación. Antes de enumerar las características de cada uno

de ellos, se realizará una exposición de cómo se utiliza un servomotor de este tipo.

Ilustración 8: Servomotores utilizados

El servomotor es un elemento muy compacto que incluye en la misma caja el

motor, el reductor, el potenciómetro de medida y el circuito electrónico de control.

Recibe del exterior mediante sólo tres hilos la tensión de alimentación (VCC y GND)

y una señal de control o referencia por la que se le indica la posición deseada en el

eje de salida. Entrega el par motor por el eje de salida terminado en una corona

dentada para acoplarle la pieza a mover. La caja que incorpora todos los elementos



del servomotor está preparada para una sujeción sencilla, mediante tornillos, a la

parte fija de la estructura. En la Ilustración 8 se muestran los microservos utilizados.

El circuito electrónico de control está preparado para recibir la referencia de

posición deseada en el eje mediante una señal cuadrada de amplitud entre 0V y 5V

de 50Hz de frecuencia (20ms de periodo) modulada en anchura de pulso (PWM). En

la modulación PWM se genera una señal cuadrada periódica donde la frecuencia se

mantiene constante y varía el tiempo dentro del periodo total en el que la señal vale

5V ( ) y 0V ( ).

En los servomotores se hace corresponder un tiempo de pulso ( ), de

duración determinada al ángulo de giro central ( 0), de habitualmente 1500µs.

Tiempos de pulso inferiores giran el eje en sentido horario (mirando desde arriba),

obteniendo posiciones angulares negativas; y tiempos de pulso superiores giran el

eje en sentido antihorario. De esta forma, para un servomotor con un ángulo total de

giro , un valor mínimo del tiempo de pulso ( ) posicionará el eje en un

ángulo /2; y un valor máximo de tiempo de pulso ( ) posicionará

el eje en un ángulo /2. Los valores límite tanto de tiempos de pulso

como de ángulos de giro dependen de los diversos fabricantes y modelos. En la

Ilustración 9 se muestra la forma de onda de la señal PWM para diferentes

posiciones deseadas en el eje.

Ilustración 9: Señal PWM para posicionamiento del servomotor en diversos ángulos.

Se puede establecer la relación entre el tiempo del pulso ( ) y el ángulo de

giro ( ) según la expresión:



∙

2.2.2. Características de los servomotores utilizados

En el brazo robótico que se diseñará es necesario un total de seis

servomotores para las diferentes articulaciones que lo constituyen y la pinza final. Se

han elegido microservomotores de la marca TowerPro de tres tipos diferentes en

función del par necesario: en las articulaciones de la unión del cuerpo y hombro se

utilizará el modelo de alto par (tipo 1), en el codo y la muñeca un par intermedio (tipo

2) y las de giro y apertura de la pinza las de bajo par pero mayor ángulo total (tipo 3).

En la Tabla 3 se muestran las características principales de estos servomotores

a la tensión de alimentación mínima: 4,8V (estos servomotores pueden trabajar con

tensiones entre 4,8V y 6,6V). Tanto el par como la velocidad aumentan con la

tensión de alimentación; como la utilizada en este trabajo es de 5V, los valores de

par y velocidad serán ligeramente superiores a los mostrados en la Tabla 3. Las

dimensiones de los servomotores, necesarias para el diseño de las piezas, se

muestran en la Ilustración 10.

Ilustración 10: Esquema de los servomotores acotados

Tipo-Modelo Par Velocidad Ángulo Masa Dimensiones (mm) (Ilustración 10)

A B C D E F

T1-MG92B 3,1kg·cm 0,13s/60º 150º 16 g 34 23 23 12 32 20

T2-MG91 2,2kg·cm 0,13s/60º 150º 16 g 34 23 23 12 32 20

T3-MG90S 1,8kg·cm 0,10s/60º 180º 13 g 33 23 22 12 33 19

Tabla 3: Características de los microservomotores utilizados



El valor de la constante deberá ajustarse experimentalmente para obtener la

mayor precisión posible en el posicionamiento del brazo ya que el fabricante no

facilita ninguno de los datos. Los valores obtenidos en la prueba de los servomotores

se muestran en la Tabla 4 y a partir de ellos se determina este valor. Hay que indicar

que, aunque los ángulos totales no son de 180º para los tres tipos, tanto el valor de

para la posición central del eje como la relación entre éste y el ángulo son

iguales. Por tanto el valor de para un ángulo dado será igual en los tres tipos

respetando los valores mínimo y máximo de los ángulos, es decir, la constante

indicada anteriormente es igual para los tres tipos.

Tipo-Modelo

T1-MG92B 150º 750 µs 1500µs 2250 µs 10º/s

T2-MG91 150º 750 µs 1500µs 2250 µs 10º/s

T3-MG90S 180º 600µs 1500µs 2400µs 10º/s

Tabla 4: Valor de la constante k para los 3 servomotores

Ilustración 11: Detalle de la corona dentada

La salida del movimiento del servomotor se produce a través de una corona

dentada (como la mostrada en la Ilustración 11) a la que se debe acoplar una

especie de pala o brazo para transmitir el movimiento. En la Ilustración 12 se

muestran las dimensiones de dichas palas, que serán necesarias para el diseño de

las diferentes piezas del brazo robótico.

Debido a que la corona dispone de 20 dientes, cada acoplamiento tendrá un

error angular de hasta ±9º por lo que aunque se busque que se forme un ángulo

determinado entre los eslabones del brazo, cuando todos los servomotores estén en



su posición cero, la exactitud de este ángulo sólo se conseguirá mediante un

proceso de ajuste o calibración mediante el software de control.

Ilustración 12: Dimensiones de las palas utilizadas

2.3. Diseño de piezas

Como se ha dicho anteriormente, el diseño de las piezas está intrínsecamente

ligado a dos factores determinantes: los actuadores elegidos y el proceso de

fabricación por impresión 3D.

En este apartado se describen las piezas diseñadas, explicando las

peculiaridades de cada una y su funcionalidad. Las cotas exactas y las vistas

normalizadas pueden verse en los planos incluidos en el anexo de planos. Todas las

uniones del robot van atornilladas. Los tornillos utilizados son autorroscantes de

diferentes diámetros, debiendo indicarse que el diámetro de los agujeros preparados

para ellos se ha obtenido tras varias pruebas de impresión ya que, aunque pueden

definirse con medidas exactas, al realizarse la impresión de círculos mediante

aproximaciones poligonales los diámetros interiores son siempre inferiores a los

previstos.

Todas las piezas han sido diseñadas utilizando el programa CATIA V5 y los

planos normalizados se han realizado con AutoCAD 2016.



2.3.1. Base

La base o cuerpo será el primer elemento del brazo (eslabón 0). Consta de una

hendidura donde irá la pala del servo, así como de un canal que se utilizará para

poner bolas de Níquel que sirvan de apoyo para la siguiente pieza, minimizando el

rozamiento. Cuenta con una hendidura en la parte frontal de modo que permita

pasar todos los cables por ella, y facilitar la movilidad de la pieza. Además se le han

hecho 4 agujeros pasantes, uno en cada esquina, para poder sujetar el robot a la

superficie de trabajo mediante tornillos.

Ilustración 13: Base

2.3.2. Hombro

El hombro constituirá la siguiente pieza (eslabón 1). Cuenta con dos

hendiduras para servos; en la inferior irá el servo que conecta el hombro con la base

(articulación 1) y en la lateral, el que conecta el hombro con el brazo (articulación 2).

Además, se le ha hecho un agujero pasante por el que se introducirán los cables.

Ilustración 14: Hombro



2.3.3. Brazo

Ilustración 15: Brazo

El brazo lo conforman dos piezas idénticas. Como en los elementos anteriores,

cada una cuenta con una hendidura donde irá la pala del servomotor que mueve la

articulación, así como un soporte cilíndrico que hace de eje de giro y mantiene la



pieza alineada con el eje del servo. Además, cada pieza tiene un saliente y una

cavidad que servirán para encajarlas entre sí. Se han realizado unos agujeros en los

salientes para pasar los cables y al mismo tiempo aligerar el eslabón. Tanto la

cavidad como el saliente tienen dos perforaciones pensadas para que, una vez

ensambladas, se atornillen ambas partes. Ambas piezas unidas constituyen el

eslabón 2 de la cadena cinemática con las articulaciones 2 y 3 en sus extremos.

2.3.4. Antebrazo

Ilustración 16: Antebrazo



La morfología del antebrazo coincide en muchos aspectos con la del brazo:

consta de dos piezas idénticas que se unen encajando el saliente de una, en la

cavidad de la otra; con hendiduras donde se acoplan los servos que cuentan con

agujeros para atornillar sus aletas; y agujeros en los salientes por donde irá el

cableado. Otra vez se han realizado perforaciones tanto en la cavidad como en el

saliente para poder atornillar la unión una vez ensamblada. Además se ha añadido

el detalle de las iniciales como elemento estético y de personalización del robot.

Ambas piezas unidas constituyen el eslabón 3 de la cadena cinemática con las

articulaciones 3 y 4 en sus extremos.

2.3.5. Muñeca: muñecas A y B

Ilustración 17: Muñeca

La muñeca también estará constituida por dos elementos que se ensamblan

entre sí. En esta ocasión las piezas no serán idénticas, aunque tendrán elementos

comunes. Ambas piezas tienen un saliente cuadrado y un hueco de la misma forma,

con perforaciones tales que al ser montadas las partes, se pueda atornillar la unión.

Además, a estos salientes se les ha hecho una hendidura rectangular con un

agujero, lo que servirá para apoyar las aletas de uno de los servos y atornillarlas. En

cuanto a las diferencias, la muñeca A cuenta con una hendidura con forma de pala y

un saliente rectangular con un agujero grande por donde pasarán los cables;

mientras que la muñeca B cuenta con un soporte cilíndrico que hace de eje de giro



alineado con el del servomotor que mueve la articulación y una cavidad donde irá

encajado el saliente rectangular de la muñeca A.

Ambas piezas unidas constituyen el eslabón 4 de la cadena cinemática con las

articulaciones 4 y 5 en sus extremos.

2.3.6. Soporte de la pinza

El soporte de la pinza, a pesar de ser la pieza más pequeña del brazo, ha sido

el elemento más complejo de imprimir, por su morfología. Cuenta con una hendidura

en forma de pala, por la cual irá conectado el servo de la muñeca (articulación 5).

Otro servo irá atornillado en la parte posterior, donde se le han hecho a la pieza

unas incisiones con las dimensiones de las aletas del mismo. Además dispone de un

saliente que servirá de apoyo para la pinza que no vaya conectada al servo.

Ilustración 18: Soporte de la pinza

Esta pieza no constituye parte de la cadena cinemática sino que se considera

parte de la herramienta que porta el brazo robótico.

2.3.7. Pinza: pinzas A y B

Por último se diseñó el elemento terminal, con forma de pinza para que el robot

cumpliera con la aplicación deseada: manipular piezas pequeñas desplazándolas de

un punto a otro dentro de su espacio de trabajo. Aunque solo una de las pinzas irá

conectada al servo, ambas cuentan con una hendidura con forma de pala para

facilitar la sujeción y por razones estéticas de simetría. La pinza que vaya conectada

al servo transmitirá el movimiento a la otra mediante la unión diseñada con forma de

engranaje. Ambas piezas terminan con una cara plana, para facilitar el agarre de

objetos pequeños.



Ilustración 19: Pinzas

2.4. Fabricación de piezas

El paso siguiente al diseño de las piezas es la fabricación de las mismas.

Previo a la puesta en marcha de la impresora, hay que definir los parámetros de

impresión de cada elemento. Estos serán las instrucciones que seguirá la máquina a

la hora de imprimir la pieza.

En este caso se han utilizado los mismos parámetros para todas las piezas, tal

y como se muestran en la Tabla 5, ya que todas se han hecho con el mismo

filamento y no existen partes que requieran una calidad especial o un acabado

determinado.

Parámetros del material

Material PLA

Diámetro hilo 1,75mm

Diámetro boquilla 0,4mm

Parámetros de impresión

Espesor de capa 0,1mm

Espesor lateral 0,8mm

Espesor primera y última capa 0,8mm

Velocidad de impresión 50mm/s

Temperatura cama 60ºC

Temperatura extrusor 210ºC

Relleno 20%

Tabla 5: Parámetros del material y de impresión

Donde sí se han encontrado diferencias es en el uso de soportes. Todas las

piezas fueron diseñadas para que pudieran ser impresas sin la necesidad de usar

apoyos pero, como se mencionó anteriormente, la morfología del soporte de la pinza



hizo que fuera necesario el uso de un soporte. Aun así se buscó la posición óptima

para la cual el soporte fuera el mínimo necesario y fácil de quitar.

En la Tabla 6 se muestran los datos de tipo de soporte, tiempo y material según

la pieza impresa.

Pieza Soporte Tiempo (h) Material (m) Material (g)

Base - 2:44 5,62 17

Hombro - 3:16 7,41 22

Brazo - 2:44 5,38 16

Antebrazo - 2:28 4,79 14

Muñeca A - 2:05 4,17 12

Muñeca B - 1:56 3,55 11

Soporte “Everywhere” 0:42 1,45 4

Pinza A - 0:27 0,83 2

Pinza B - 0:27 0,83 2

Tabla 6: Características de las piezas impresas

2.5. Montaje

Fabricadas las piezas se procede al montaje del robot. A continuación se

muestra paso a paso el ensamblaje de cada parte; primero se ha hecho el montaje

de eslabones que eran de alguna manera independientes al resto del robot (se

podían ensamblar sin necesidad de que los otros estuvieran ya montados) y luego el

montaje de las piezas que conectaban las anteriores entre sí (no podían unirse hasta

que las anteriores estuvieran ya listas).

2.5.1. Montaje base-hombro

La base va unida al hombro mediante un servo. Por un lado se atornilla una

pala doble a la cavidad de la parte posterior de la base y por otro se atornillan dos

servos al hombro: uno en la parte inferior y otro en el lateral. Además se distribuirán

bolas de Níquel por el canal de la base para que el rozamiento entre ambas piezas

cuando el hombro gire sea mínimo. Tras esto, se conecta el servo de la parte inferior

con la pala y se atornilla esta última al eje del servo, quedando fija esta unión.



Ilustración 20: Montaje base-hombro

2.5.2. Montaje antebrazo

Ilustración 21: Montaje antebrazo

El antebrazo del robot consiste en la unión de la pieza antebrazo con otra

idéntica pero puesta al otro hilo. A cada pieza se le atornilla un servo en la hendidura

diseñada con este fin. Hecho esto, se ensamblan ambas partes de manera que el

saliente de una encaje en la cavidad de la otra. Luego se introducen tornillos desde

la parte exterior para que la unión saliente-cavidad quede fija.



2.5.3. Montaje soporte-pinzas

En este montaje se unirán ambas pinzas con el soporte. Por un lado se

atornilla una pala simple a cada pinza. Por otro, se conectan al soporte dos servos:

uno se atornilla por las aletas en las hendiduras de la parte posterior del soporte; el

otro se atornilla a una pala doble que previamente ha sido colocada y atornillada en

la cavidad del soporte con la misma forma. Por último se atornillan, la pala de la

pinza A al eje del servo situado en la parte posterior del soporte y la pala de la pinza

B al saliente diseñado para que dicha pinza se apoye y no quede en el aire. En este

paso es importante que el servo esté en su posición intermedia (0º) y las pinzas

queden perfectamente cerradas.

Ilustración 22: Montaje soporte-pinzas

2.5.4. Montaje brazo

El brazo del robot unirá el hombro con el antebrazo. Se atornilla a cada pieza

del brazo una pala doble. La pala de una pieza irá conectada al servo del hombro y

la de la otra pieza, al servo del antebrazo. Atornillada cada pala con el eje de su

servo, se unen las dos piezas brazo, encajando el saliente de una en la cavidad de

la otra y viceversa. Hecho esto se atornilla desde el exterior para fijar la unión.



Ilustración 23: Montaje brazo

2.5.5. Montaje muñeca

Ilustración 24: Montaje muñeca

El siguiente paso será el montaje de la muñeca. Primero se acoplará a la

muñeca A una pala doble. Hecho esto se atornillará la pala doble al eje del servo del

antebrazo, con lo que quedarán unidas la muñeca A y el mismo. Para terminar de



montar este eslabón solo faltará encajar la muñeca A, ya fijada al antebrazo, con la

muñeca B, mediante los salientes y huecos diseñados con este fin. Por último se

atornillarán todas las uniones saliente-cavidad, de manera que la estructura quede

sujeta.

2.5.6. Montaje elemento terminal

El último paso del montaje será conectar el elemento terminal con el resto del

brazo robótico. Para ello solo habrá que introducir el elemento final desde abajo,

colocar las aletas del servo en las hendiduras de la muñeca y atornillarlas.

Ilustración 25: Montaje elemento terminal

2.5.7. Cableado

Terminado el montaje mecánico, se procede a acomodar el cableado de los

servomotores. Los cables quedan recogidos gracias a los agujeros pasantes

previstos en el diseño de las piezas para este fin. Todo el conjunto de cables sale

por la base y se prolonga hasta llegar a la caja de control (anexo III). En la

Ilustración 26 y la Ilustración 27 se muestran fotografías del brazo robótico

completamente montado.



Ilustración 26: Brazo robótico montado

Ilustración 27: Brazo robótico montado

3. ANÁLISIS CINEMÁTICO



3. ANÁLISIS CINEMÁTICO

En este capítulo se plantea y resuelve la cinemática directa e inversa del brazo

robótico. El conocimiento de la cinemática del robot será fundamental para llevarlo a

las posiciones deseadas de forma que pueda realizar tareas útiles. Posteriormente

se calculará el par máximo necesario para el movimiento del robot.

3.1. Cinemática directa

El problema cinemático directo consiste en determinar cuál es la posición y

orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas

que se toma como referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los

parámetros geométricos del robot.

En general, un robot de n grados de libertad está formado por n eslabones

unidos por n articulaciones, de forma que cada par articulación-eslabón constituye

un grado de libertad. A cada eslabón se le puede asociar un sistema de referencia

solidario a él y, utilizando matrices de transformación homogéneas, es posible

representar las rotaciones y traslaciones relativas entre los distintos eslabones que

componen el robot.

Se denominará a la matriz de transformación homogénea que representa

la posición y orientación relativa entre los sistemas asociados a dos eslabones

consecutivos del robot. Mientras que será la matriz de transformación que

relaciona la posición y orientación del extremo final del robot respecto al sistema fijo

situado en la base del mismo y será la resultante del producto de las matrices

con desde 1 hasta .

∙ ∙ ∙ …∙

Para describir la relación que existe entre dos sistemas de referencia

asociados a eslabones se utiliza la representación Denavit-Hartenberg (D-H). Esta

representación permite pasar de un sistema de coordenadas a otro mediante 4

transformaciones básicas que dependen solo de las características geométricas del

eslabón.



Dichas transformaciones básicas consisten en una sucesión de rotaciones y

traslaciones que permiten relacionar el sistema de referencia del elemento con el

sistema del elemento 1. Las transformaciones en cuestión son las siguientes:

Rotación alrededor del eje un ángulo

Traslación a lo largo del eje una distancia

Traslación a lo largo del eje una distancia

Rotación alrededor del eje un ángulo

Conociendo los valores de , , , , denominados parámetros D-H del

eslabón , la matriz de trasformación que relaciona los sistemas de referencia es la

siguiente:

, ∙ 0,0, ∙ , 0,0 ∙ ,

Desarrollando esta expresión se obtiene:

cos cos ∙ sin sin ∙ sin ∙ cossin cos ∙ cos sin ∙ cos ∙ sin0 sin cos0 0 0 1

3.1.1. Cinemática directa del brazo robótico

En este apartado se aplicarán los fundamentos teóricos vistos anteriormente

para resolver el problema cinemático directo del brazo robótico estudiado.

Primero se identificarán los eslabones y las articulaciones que forman la

cadena cinemática del robot. Como se puede ver en la Ilustración 28, el manipulador

tiene 5 eslabones y 5 articulaciones, por tanto contará con 5 grados de libertad. Se

numerarán los eslabones y las articulaciones comenzando en 1 y acabando en 5. En

el caso de los eslabones, habrá un eslabón 0 que coincidirá con la base fija del

robot.



Ilustración 28: Eslabones y articulaciones del brazo robótico

Ilustración 29: Sistemas de referencia



Cabe destacar que en este análisis no se tiene en cuenta el elemento terminal

(pinzas A y B), ya que aunque se abre y cierra para poder agarrar objetos, este

movimiento no se considera un grado de libertad del robot.

Conocidos y habiendo numerado los eslabones y las articulaciones del robot,

se identificarán los sistemas de referencia solidarios a cada eslabón siguiendo el

criterio de la regla de la mano derecha (Ilustración 29).

Asignados los sistemas de referencia a cada eslabón, se calcularán los

parámetros de Denavit-Hartenberg, los cuales son necesarios para construir las

matrices de transformación y tienen el siguiente significado:

es el ángulo entre y referido al eje

es la distancia entre y medida a lo largo del eje

es la distancia entre y medida a lo largo del eje

es el ángulo entre y referido al eje

Teniendo esto en cuenta y siguiendo las indicaciones de la Ilustración 29,

hallamos los valores de dichos parámetros (Tabla 7).

Articulación θ d a α

1 θ1 44 0 90

2 θ2 + 90 0 100 180

3 θ3 + 90 0 88 180

4 θ4 0 5,5 90

5 θ5 124 0 0

Tabla 7: Parámetros de Denavit-Hartenberg

Una vez obtenidos los parámetros D-H, el cálculo de las relaciones entre los

enlaces consecutivos del robot es inmediato, ya que vienen dadas por las matrices

que se calculan según la expresión general obtenida en el apartado anterior.

cos 0 sin 0sin 0 cos 00 1 0 440 0 0 1



sin cos 0 100 ∙ sincos sin 0 100 ∙ cos0 0 1 00 0 0 1

sin cos 0 88 ∙ sincos sin 0 88 ∙ cos0 0 1 00 0 0 1

cos 0 sin 5,5 ∙ cossin 0 cos 5,5 ∙ sin0 1 0 00 0 0 1

cos sin 0 0sin cos 0 00 0 1 1240 0 0 1

Por último se obtendrá la matriz de transformación como producto de todas

las anteriores.

∙ ∙ ∙ ∙

Esta matriz nos proporcionará la posición y orientación del extremo referido a la

base a partir de las coordenadas articulares , , , , .

Se muestra a continuación el código del programa escrito para MATLAB que

realiza estos cálculos:

%Cinemática directa del brazo robótico %Constantes del robot d1=44; d2=0; d3=0; d4=0; d5=124; a1=0; a2=100; a3=88; a4=5.5; a5=0; alfa1=pi/2; alfa2=pi; alfa3=pi; alfa4=pi/2; alfa5=0; teta1_0=0; teta2_0=pi/2;



teta3_0=pi/2; teta4_0=0; teta5_0=0; %Variables de entrada teta1=input('Introduce el ángulo teta 1: '); teta2=input('Introduce el ángulo teta 2: '); teta3=input('Introduce el ángulo teta 3: '); teta4=input('Introduce el ángulo teta 4: '); teta5=input('Introduce el ángulo teta 5: '); teta1=teta1*pi/180+teta1_0; teta2=teta2*pi/180+teta2_0; teta3=teta3*pi/180+teta3_0; teta4=teta4*pi/180+teta4_0; teta5=teta5*pi/180+teta5_0; %Matrices A A1=[cos(teta1) -cos(alfa1)*sin(teta1) sin(alfa1)*sin(teta1) a1*cos(teta1)]; A1=[A1; sin(teta1) cos(alfa1)*cos(teta1) -sin(alfa1)*cos(teta1) a1*sin(teta1)]; A1=[A1; 0 sin(alfa1) cos(alfa1) d1]; A1=[A1; 0 0 0 1]; A2=[cos(teta2) -cos(alfa2)*sin(teta2) sin(alfa2)*sin(teta2) a2*cos(teta2)]; A2=[A2; sin(teta2) cos(alfa2)*cos(teta2) -sin(alfa2)*cos(teta2) a2*sin(teta2)]; A2=[A2; 0 sin(alfa2) cos(alfa2) d2]; A2=[A2; 0 0 0 1]; A3=[cos(teta3) -cos(alfa3)*sin(teta3) sin(alfa3)*sin(teta3) a3*cos(teta3)]; A3=[A3; sin(teta3) cos(alfa3)*cos(teta3) -sin(alfa3)*cos(teta3) a3*sin(teta3)]; A3=[A3; 0 sin(alfa3) cos(alfa3) d3]; A3=[A3; 0 0 0 1]; A4=[cos(teta4) -cos(alfa4)*sin(teta4) sin(alfa4)*sin(teta4) a4*cos(teta4)]; A4=[A4; sin(teta4) cos(alfa4)*cos(teta4) -sin(alfa4)*cos(teta4) a4*sin(teta4)]; A4=[A4; 0 sin(alfa4) cos(alfa4) d4]; A4=[A4; 0 0 0 1]; A5=[cos(teta5) -cos(alfa5)*sin(teta5) sin(alfa5)*sin(teta5) a5*cos(teta5)]; A5=[A5; sin(teta5) cos(alfa5)*cos(teta5) -sin(alfa5)*cos(teta5) a5*sin(teta5)]; A5=[A5; 0 sin(alfa5) cos(alfa5) d5]; A5=[A5; 0 0 0 1]; %Matriz T T=A1*A2*A3*A4*A5; %Presentación de resultados disp(['P5x: ', num2str(T(1,4))]); disp(['P5y: ', num2str(T(2,4))]); disp(['P5z: ', num2str(T(3,4))]);

3.2. Cinemática inversa

El problema cinemático inverso consiste en encontrar los valores que deben

adoptar las coordenadas articulares del robot , , , … , para que su extremo se

posicione y oriente según determinada localización espacial. Al contrario que el

problema cinemático directo, el cálculo de la cinemática inversa no es sencillo ya

que consiste en la resolución de una serie de ecuaciones (generalmente no lineales)

fuertemente dependientes de la configuración del robot, además de existir diferentes

soluciones que resuelven el problema.

Existen procedimientos genéricos susceptibles de ser programados para la

resolución de la cinemática inversa. Sin embargo, el principal inconveniente de estos



procedimientos es que son métodos numéricos iterativos, que no siempre garantizan

tener la solución en tiempo real. De esta manera, a la hora de resolver el problema

cinemático inverso es mucho más adecuado encontrar una solución cerrada, es

decir, encontrar una relación matemática explícita de la forma:

, , , , , ; 1, … ,

Para conseguir esto, existen 3 métodos principales:

Métodos geométricos: consisten en la utilización de las relaciones

trigonométricas y la resolución de los triángulos formados por los elementos y

articulaciones del robot. Este procedimiento es adecuado para robots de pocos

grados de libertad o para el caso en que, por simplificaciones, se consideren solo

los primeros grados de libertad.

Resolución a partir de las matrices de transformación homogénea: trata de

hallar el modelo cinemático inverso de un robot a partir del conocimiento de su

modelo directo. Es decir, conocidas las relaciones que expresan el valor de la

posición y orientación del extremo del robot en función de sus coordenadas

articulares, obtener por manipulación de aquellas las relaciones inversas. En la

práctica esta tarea no es trivial, resultando en muchas ocasiones tan compleja

que obliga a desecharla.

Desacoplamiento cinemático: este método permite, para determinados tipos de

robots, resolver los primeros grados de libertad, dedicados al posicionamiento, de

una manera independiente a la resolución de los últimos grados de libertad,

dedicados a la orientación. Este método es típico en robots de 6 grados de

libertad, donde los tres primeros están destinados a posicionar el brazo y los 3

últimos, a orientar la herramienta.

De esta forma, se seleccionará el método más apropiado teniendo en cuenta

las características del robot a estudiar (grados de libertad, geometría, posibles

simplificaciones…) para obtener el modelo cinemático inverso del mismo.



3.2.1. Cinemática inversa del brazo robótico

En este apartado se obtendrá el modelo cinemático inverso del manipulador

robótico estudiado llevando a la práctica los fundamentos teóricos vistos

anteriormente.

Previo a la selección y aplicación de uno de los procedimientos conocidos para

resolver el problema cinemático inverso, hace falta detenerse a analizar las

singularidades del robot en cuestión, ya que de estas dependerá la elección de un

método u otro, así como las simplificaciones que se puedan hacer.

En este caso, el brazo robótico cuenta con 5 grados de libertad, de los cuales 3

son coplanarios. Esta característica facilitará la obtención de relaciones

trigonométricas que permitan relacionar varias coordenadas articulares del robot.

Además, el último grado de libertad no será relevante en la obtención del modelo

cinemático inverso, ya que el giro de la pinza no modifica la posición final del

extremo de la herramienta. Teniendo esto en cuenta se estudian los métodos

existentes para proceder a la selección del más conveniente.

Primero se descarta el método de las matrices de transformación homogénea,

ya que daría lugar a complejos sistemas de ecuaciones no lineales, posiblemente

con soluciones múltiples. Considerando la existencia de 3 articulaciones coplanarias,

se plantea el método geométrico como el más adecuado. Parece claro que este

procedimiento es el más factible para el robot estudiado, tanto por esta característica

geométrica como por el hecho de que, como se ha dicho antes, en el problema

cinemático inverso se prescindirá del último grado de libertad. Se procederá

entonces a obtener la cinemática inversa a partir de las coordenadas del elemento

terminal junto con el ángulo de ataque de la herramienta, definiéndose este ángulo

como el que forma la herramienta con la vertical.

En la Ilustración 30 se plantea la cadena cinemática del brazo para una

posición dada.



Ilustración 30: Cadena cinemática del brazo robótico para una posición dada

En la Ilustración 31 se puede ver con más detalle las coordenadas articulares

del robot y los ángulos que se utilizarán para realizar los cálculos geométricos

Se parte del extremo de la pinza, , , , y de su ángulo de

ataque, , que es la única orientación que hay que tener en cuenta puesto que la

herramienta es coplanaria con todos los demás eslabones y que su giro, , no

afecta a las coordenadas de . A partir de estos datos se podrá determinar el

ángulo :

arctan

Y con él las coordenadas del punto , , :

∙ cos ∙ cos ∙ sin ∙ cos∙ cos ∙ sin ∙ sin ∙ cos

∙ sin cos

Obtenidas las coordenadas del punto , se podrán hallar los ángulos y

mediante relaciones geométricas.



Ilustración 31: Cadena cinemática del robot con ángulos y coordenadas articulares

Para hallar el ángulo aplicaremos el teorema del coseno en el triángulo

formado por , , :

2 ∙ ∙ ∙ cos 180 90 2 ∙ ∙ ∙ sin

En esta expresión se conocen todos los datos excepto , que se obtiene del

triángulo , , mediante el teorema de Pitágoras:

Siendo

Habiendo calculado , será:



arcsin2 ∙ ∙

Para calcular se utilizarán los ángulos y , que se relacionan con el

primero de la forma:

90

Se aplica el teorema del seno para deducir el ángulo :

sin sin 180 90 cos

arcsin∙ cos

Mientras que se obtiene de la tangente:

tan

No obstante, se tendrá en cuenta el signo de la coordenada , ya que si

esta fuera negativa indicaría un ángulo mayor de 90º y la tangente sería negativa;

entonces:

arctan ∙ sgn

Despejando y sustituyendo:

90 arctan ∙ sgn arcsin∙ cos

90

Cabe destacar que la forma de obtener los ángulos y varía según sea la

configuración del brazo codo arriba o codo abajo. En este caso se han hallado

ambos ángulos analizando la geometría del brazo con una configuración codo arriba,

ya que por la disposición del robot estudiado la otra configuración carece de interés.



Por último, se obtendrá el ángulo para cumplir con el ángulo de ataque

dado:

90 90 90 90

Y despejando:

Como se ha dicho, el ángulo no interviene en el posicionamiento del

extremo de la pinza, solo determina la orientación de la misma sobre el ángulo de

ataque. Un valor de 0º coloca la pinza de forma que su apertura y cierre se producen

perpendicularmente al ángulo ; ángulos positivos la orientan hacia los valores

negativos de y viceversa.

Se muestra a continuación el código del programa escrito para MATLAB que

realiza estos cálculos:

%Cinemática inversa del brazo robótico %Constantes del robot L1=44; L2=100; L3=88; L4=5.5; L5=65+59; %Variables de entrada P5x=input('Introduce la coordenada P5x: '); P5y=input('Introduce la coordenada P5y: '); P5z=input('Introduce la coordenada P5z: '); delta=input('Introduce el ángulo de ataque:'); %Cálculo de las coordenadas articulares delta=delta*pi/180; teta1=atan(P5y/P5x); P3x=P5x-L4*cos(delta)*cos(teta1)-L5*sin(delta)*cos(teta1); P3y=P5y-L4*cos(delta)*sin(teta1)-L5*sin(delta)*sin(teta1); P3z=P5z-L4*sin(delta)+L5*cos(delta); r=sqrt(P3x^2+P3y^2); s=P3z-L1; t=sqrt(r^2+s^2); teta3=asin((L2^2+L3^2-t^2)/(2*L2*L3)); beta=asin(L3*cos(teta3)/t); alfa=atan(s/r)*sign(P3x)+acos(sign(P3x)); teta2=alfa+beta-pi/2; teta4=teta3-teta2+delta; %Presentación de resultados disp(['teta 1: ', num2str(teta1*180/pi)]); disp(['teta 2: ', num2str(teta2*180/pi)]); disp(['teta 3: ', num2str(teta3*180/pi)]); disp(['teta 4: ', num2str(teta4*180/pi)]);



3.3. Par máximo

Se calculará el par que deben aportar los servomotores para mover el brazo en

las condiciones más desfavorables. La configuración que ofrece un mayor par

resistente será aquella en la que el brazo, el antebrazo y la muñeca estén alineados

horizontalmente y se gire la articulación del hombro, como se muestra en la

Ilustración 32.

Ilustración 32: Disposición de máximo par resistente

Cabe decir que para la realización de los cálculos se han asumido las siguientes

simplificaciones: el peso de las piezas se encuentra concentrado en su centro

geométrico y el peso de los servos se concentra en el punto donde está la

articulación. Partiendo de estas premisas se hallará el par resistente y la carga

máxima que puede mover el brazo en la configuración planteada.

A continuación se muestran en la Tabla 8 el peso de cada una de las piezas, que

será necesario para calcular el par máximo.

Pieza m (kg)

Servo tipo 2 0,016

Servo tipo 3 0,013

Brazo 0,016

Antebrazo 0,014

Muñeca A 0,012

Muñeca B 0,011

Soporte 0,004

Pinza A 0,002

Pinza B 0,002

Tabla 8: Peso de cada pieza



Como se muestra en la Ilustración 32, hay 8 puntos en los cuales se concentra

una determinada masa que crea un momento en el punto de origen, establecido en

la unión del hombro con el brazo. La sumatoria de esos momentos dará el par

resistente que se desea obtener. En la Tabla 9 se resuelve el par en cada punto, a

excepción del par en el extremo de la pinza (P8) ya que este dependerá de la carga

que el brazo tenga que desplazar.

Punto d(cm) m(kg) Par (kg·cm)

P1 5 2·mbrazo = 0,032 0,16

P2 10 mservo T2 = 0,016 0,16

P3 14,4 2·mantebrazo = 0,028 0,4032

P4 18,8 mservo T2 = 0,016 0,3008

P5 22,05 mmuñeca A + mmuñeca B = 0,023 0,50715

P6 25,3 2·mservo T3 + msoporte = 0,03 0,759

P7 27,8 mpinza A + mpinza B = 0,004 0,1112

P8 30,3 mcarga -

2,40135

Tabla 9: Cálculo del par resistente en el hombro

El par máximo disponible en el servo de la articulación del hombro (servo tipo 1)

se empleará en vencer el par resistente, calculado en la Tabla 9, y el resto podrá

utilizarse en mover una carga. Se hallará el peso máximo que puede tener dicha

carga mediante los cálculos siguientes:

⇒

3,1 2,40135 0,69865

⇒

0,6986530,3

0,02306

Así, la carga que podrá desplazar el brazo en estas condiciones será como

máximo de unos 23g. En la práctica, el brazo no adoptará la configuración

estudiada, por lo que podrá desplazar objetos de mayor masa que la obtenida.

Cabría preguntarse si es posible el movimiento de la articulación del codo ya que,

aunque el par resistente para ella es menor, el servo utilizado es del tipo 2 con



menor par disponible. Realizando los mismos cálculos comprobamos que la

situación es más favorable que la anterior:

Punto d(cm) m(kg) Par (kg·cm)

P3 4,4 2·mantebrazo = 0,028 0,1232

P4 8,8 mservo T2 = 0,016 0,1408

P5 12,05 mmuñeca A + mmuñeca B = 0,023 0,27715

P6 15,3 2·mservo T3 + msoporte = 0,03 0,459

P7 17,8 mpinza A + mpinza B = 0,004 0,0712

P8 20,3 mcarga -

1,07135

Tabla 10: Cálculo del par resistente en el codo

El par máximo disponible en el servo de la articulación del codo (servo tipo 2) se

empleará en vencer el par resistente, calculado en la Tabla 10, y el resto podrá

utilizarse en mover una carga. Se hallará el peso máximo que puede tener dicha

carga mediante los cálculos siguientes:

⇒

2,2 1,07135 1,12865

⇒

1,1286520,3

0,0556

El peso que puede mover la articulación del codo es de 55g, superior al que

puede mover el hombro por lo que queda comprobado que el caso más desfavorable

era el estudiado inicialmente.

4. SISTEMA DE CONTROL



4. SISTEMA DE CONTROL

En este capítulo se describe el sistema de control del brazo robótico. Se han

establecido los requerimientos para poder seleccionar la mejor plataforma donde

desarrollar el hardware y el software que llevarán a cabo el control del manipulador.

4.1. Requerimientos y selección del sistema

El sistema de control está implementado como un programa que debe

ejecutarse sobre una plataforma adecuada. Se plantean las necesidades o

requerimientos del mismo para elegir la mejor plataforma.

En este caso los objetivos a alcanzar serán los siguientes:

Movimiento: mediante el control de los 6 servomotores del brazo robótico, se

desea poder girar las articulaciones para llevar al robot a la posición deseada.

Calibración: se quiere poder ajustar los ángulos iniciales del brazo, estableciendo

la posición cero del mismo.

Almacenamiento: además de poder llevar al robot a una posición determinada, se

busca que el sistema pueda memorizar posiciones para generar secuencias de

movimientos que constituyan tareas.

Control remoto: tanto desde un PC conectado por cable como de forma

inalámbrica, se enviarán comandos para realizar todas estas acciones.

Definidas estas premisas, lo siguiente será seleccionar un sistema que permita

satisfacerlas. Se ha elegido la plataforma Arduino, que es una plataforma de

creación de prototipos de código abierto basada en software y hardware libre y fácil

de usar.

El software consiste en un entorno de desarrollo integrado gratuito y sencillo,

de manera que no es necesario tener grandes conocimientos de informática y

electrónica para su uso ya que dispone de numerosas librerías, también de código

abierto, que facilitan el uso de muchos dispositivos hardware para infinidad de

funciones (Bluetooth, wifi, servomotores…).



En cuanto al hardware, el sistema escogido ha sido la placa Arduino UNO r3,

principalmente por ser económica y porque sus características se ajustan a las

necesidades de este proyecto. En la Tabla 11 se detallan dichas características.

Arduino UNO r3

Microcontrolador ATmega328

Tensión de funcionamiento 5V

Entradas/salidas digitales 14

Entradas analógicas 6

Memoria FLASH 32kB

SRAM 2kB

EEPROM 1kB

Velocidad de reloj 16MHz

Tabla 11: Características Arduino UNO r3

Como se verá en el siguiente apartado, la cantidad de pines de entrada y salida

disponibles (Ilustración 33) es suficiente para la todos los elementos que hay que

conectar.

Ilustración 33: Distribución de pines de la placa Arduino UNO

4.2. Hardware y conexiones

En este apartado se mostrarán las conexiones realizadas entre la placa

Arduino y los diferentes elementos utilizados. Antes de presentar el esquema de

conexión, se hará una breve descripción de estos elementos:



Placa Arduino UNO r3: como se ha dicho anteriormente, se utilizará esta placa

como sistema de control. A ella se conectarán el resto de los elementos,

concretamente a sus pines de entrada/salida digitales y analógicos; y ella se

conectará al PC mediante un puerto USB.

Ilustración 34: Placa Arduino UNO r3

Fuente de alimentación externa: aportará la potencia necesaria ya que con la

conexión habitual de Arduino al puerto USB no se dispone de potencia suficiente

para los servomotores. Se conecta a la placa a través del conector de

alimentación y se incluyen condensadores electrolíticos para mejorar la calidad

de la misma.

Ilustración 35: Fuente de alimentación externa



Servomotores: se dispone de un total de 6 servomotores (de 3 tipos diferentes,

como ya se había comentado), uno por cada articulación del manipulador. El

funcionamiento de los mismos se ha descrito en el capítulo 2. Su señal de control

estará conectada a 6 salidas digitales de Arduino, mientras que sus líneas de

alimentación (0V y 5V) se conectarán a los puntos con la misma tensión de la

placa. En la Ilustración 36 se muestran, de izquierda a derecha según su par

máximo, los servos nombrados como tipo 3, tipo 2 y tipo 1.

Ilustración 36: Servomotores

Potenciómetros: se usarán 6 potenciómetros (o resistencias variables) de 10kΩ,

uno para posicionar cada servomotor, que serán utilizados en el modo manual

para calibrar la posición cero del robot. Cada potenciómetro está configurado

como un divisor de tensión entregando por su punto medio un valor analógico

entre 0V y 5V; dicho punto medio va conectado a una entrada analógica de

Arduino.

Ilustración 37: Potenciómetro

LEDs: se conectarán 6 LEDs, uno por cada potenciómetro, que indicarán en el

modo manual cuándo los potenciómetros están en la posición 0. En el modo

normal servirán para informar de diferentes situaciones. Cada LED estará

conectado por su ánodo a una salida digital y por su cátodo a 0V a través de una

resistencia en serie de 1kΩ para limitar la corriente.



Pulsador: se utilizará para poder entrar al modo manual o de calibración. Es

necesario conectarlo a una entrada digital, pero por no disponer de más pines de

entrada/salida, la función será compartida con el PIN de uno de los LED.

Ilustración 39: Pulsador

Módulo de comunicación Bluetooth HC-06: este módulo hará posible el control

inalámbrico del brazo robótico, por ejemplo desde un teléfono móvil. Irá

conectado a los pines de transmisión y de recepción de Arduino, además de

necesitar los puntos de alimentación a 0V y 5V.

Ilustración 40: Módulo de comunicación Bluetooth HC-06

Shield de prototipos para Arduino: el shield, o placa de circuito modular, se

montará encima del Arduino y permitirá alojar todos los elementos mencionados

anteriormente. Esta placa es un circuito impreso con perforaciones disponibles

para la inserción y soldadura de componentes electrónicos.

Ilustración 38: LEDs



Ilustración 41: Shield de prototipos

A continuación, en la Tabla 12, se muestra la asignación de pines de la placa.

Pin Elemento

0 TX Bluetooth

1 RX Bluetooth

2 Servo 6

3 Servo 5

4 Servo 4

5 Servo 3

6 Servo 2

7 Servo 1

8 LED 6 – Pulsador

9 LED 5

10 LED 4

11 LED 3

12 LED 2

13 LED 1

A0 Potenciómetro 6

A1 Potenciómetro 5

A2 Potenciómetro 4

A3 Potenciómetro 3

A4 Potenciómetro 2

A5 Potenciómetro 1

Tabla 12: Asignación de pines



Por último, en la Ilustración 42 se muestra el esquema de conexión completo.

Ilustración 42: Esquema de conexión



Ilustración 43: Diagrama del shield de prototipos

En la Ilustración 43 se muestra un diagrama con la disposición de componentes

sobre el shield de prototipos y en la Ilustración 44 y la Ilustración 45 varias

fotografías de todo el sistema de control terminado.

Ilustración 44: Fotografía del sistema de control



Ilustración 45: Sistema de control, vista superior

4.3. Software y funcionamiento

En este apartado se describe la forma en la que el software es capaz de

realizar las diferentes tareas que permiten tanto el movimiento manual como

automático del brazo robótico.

Posicionamiento

Para el manejo de los servomotores que mueven las articulaciones se utilizará

la librería “servo” de Arduino. Con esta librería se pueden definir todos los objetos de

tipo “servo” necesarios, asociando cada uno de ellos a un pin de salida por el que se

generará la señal de control de dicho servomotor indicando los valores de í y

á expresados en microsegundos (servo.attach(pin,min,max)). Para posicionar

un servomotor basta con asignar al objeto “servo” correspondiente el valor,

expresado en microsegundos, del tiempo que la señal debe permanecer a nivel alto

(servo.writeMicroseconds(uS)).

Debido a que los servomotores utilizados están preparados para realizar

posicionamientos muy rápidos, si se enviara al servomotor directamente la señal

correspondiente al ángulo deseado, el movimiento sería tan rápido que

desestabilizaría todo el brazo. Por este motivo para pasar desde una posición a otra

en determinada articulación lo que hace el programa es incrementar o decrementar



en 1µs el tiempo de la señal PWM desde el valor actual hasta el valor deseado

en intervalos de 20ms. Por ejemplo, si el ángulo actual de determinada articulación

es de 0º y se corresponden a 1500 y se desea girar hasta 45º que

corresponde aproximadamente a 1965 , el programa va cambiando

sucesivamente, a intervalos de 20ms, el valor de desde 1500 hasta 1965

tardando, por tanto, 9,3s en girar los 45º. El valor temporal de 20ms entre cambios

es necesario ya que es el periodo de la señal PWM y tiempos inferiores no serían

efectivos. Si el movimiento se hace demasiado lento se pueden realizar los

incrementos de en intervalos de hasta 9µs (3µs resulta bastante efectivo)

mediante el comando adecuado.

El algoritmo que realiza el posicionamiento (ver función Move(servo) en el código

fuente) se puede ver representado en el ordinograma de la Ilustración 46.

Ilustración 46: Ordinograma de posicionamiento



Calibración

Como se comentó en el capítulo 2 la posición correspondiente a 0º en cada

una de las articulaciones no se puede ajustar mecánicamente debido a la propia

corona dentada por la que el servo entrega el movimiento de giro de su eje. También

existen otros factores que hacen que el ángulo 0 de determinadas articulaciones no

deba corresponderse con el ángulo 0 del servomotor correspondiente, para permitir

ángulos mayores en los giros positivos o negativos. Todo esto hace que se deba

disponer de un mecanismo de calibración manual de este ángulo inicial o ángulo

cero. La calibración se realizará mediante los potenciómetros disponibles.

Para realizar la calibración hay que entrar en el modo manual. Esto se

consigue manteniendo pulsado el pulsador de forma que, mientras que se inicializa

el sistema, se encenderá el LED naranja y cuando se suelte el pulsador se apagará

este LED y se posicionará el brazo en la posición cero. Con el sistema sin calibrar el

brazo se posicionará según los ángulos que los servomotores identifican como 0º.

Cada uno de los potenciómetros permite el giro de una articulación en todo su

recorrido, pero, puesto que los potenciómetros pueden no apuntar inicialmente al

valor 0, es necesario girarlos hasta que apunten a dicho valor. Para ello cada uno de

los 6 LEDs permanecerá encendido mientras la posición del potenciómetro no

corresponda con la del servomotor (ver función WaitZero() en el código fuente);

cuando los 6 LEDs se apaguen empezará el verdadero modo manual donde cada

articulación gira siguiendo su potenciómetro correspondiente. Para ello el programa,

cuando está en este modo, lee continuamente el valor de las entradas analógicas

(ver función LeeADC(pot) en el código fuente) y ajusta los ángulos de las

articulaciones a dichos valores (los movimientos se realizan poco a poco, tal y como

se ha explicado en el apartado anterior). Una vez ajustada la que será la posición

cero o inicial de todas las articulaciones, los valores angulares se almacenarán,

pulsando el botón de modo, en la memoria no volátil de Arduino y se entrará en el

modo de funcionamiento normal.

La librería EEPROM permite la lectura y escritura de valores en los 1024

bytes de memoria no volátil disponibles. Las librería define el objeto EEPROM y

funciones utilizadas son la de escritura (EEPROM.write(dir,dat)) y la de lectura

(dat=EEPROM.read(dir)).



Se trabajará en bloques de 8 bytes representando cada uno de ellos los seis

valores angulares de una determinada posición del brazo (se dejan 2 bytes sin

utilizar por si fueran necesarios para alguna otra función). Así la posición inicial o

cero se almacenará a partir de la dirección 0 de la memoria y corresponde, por tanto,

a los valores de calibración del brazo. El resto de bloques de 8 bytes, hasta el

bloque 99, se usarán para almacenar posiciones del brazo que permitan realizar

secuencias de forma automática (ver apartado siguiente).

Almacenamiento

Para la ejecución de tareas complejas con el brazo robótico es necesario ir

llevándolo a posiciones sucesivas cuyo conjunto constituya la tarea completa a

realizar. El proceso de definición de una tarea consiste por tanto en almacenar esas

sucesivas posiciones en el orden en que deben producirse. Para ello se fijarán las

coordenadas articulares de una determinada posición y se almacenarán en la

memoria no volátil. Posteriormente se llevará el brazo robótico a la siguiente

ubicación y esta será almacenada a continuación de la anterior en la misma

memoria.

Cada una de las posiciones se almacena como se ha dicho antes, utilizando

las funciones de la librería EEPROM, ocupando 6 bytes de uno de los bloques de 8

bytes desde el 1 (que ocupa la dirección 8 hasta la 15 de la memoria) hasta el

bloque 99. Aunque la capacidad de memoria permite almacenar más de 100

posiciones se ha limitado a este valor para no consumir todo el espacio por si fuera

necesario para futuras ampliaciones.

Al inicio del programa se busca el primer bloque libre a partir del cual se

introducirán las siguientes posiciones. Cada vez que se desea almacenar una

posición nueva se ocupará el primer bloque libre y se incrementará el contador de

posiciones; además de borrarse, por si estuviera ocupado, el bloque siguiente.

También es posible borrar la última posición introducida y en ese caso se

decrementará el contador de posiciones.

La ejecución de una secuencia desde su inicio de forma automática empieza

por la posición 1 y termina cuando se encuentre el primer bloque vacío.



Comunicación

Excepto cuando el brazo está en modo manual o de calibración, todo el manejo

debe realizarse a través del puerto serie, ya sea por cable o de forma inalámbrica.

Dicha comunicación se basa en comandos sencillos para realizar cada una de las

acciones. En la Tabla 13 se muestran los comandos disponibles.

Comando Función

Axxxx Mueve el servomotor 1 al ángulo xxxx (-180…+180)

Bxxxx Mueve el servomotor 2 al ángulo xxxx (-180…+180)

Cxxxx Mueve el servomotor 3 al ángulo xxxx (-180…+180)

Dxxxx Mueve el servomotor 4 al ángulo xxxx (-180…+180)

Exxxx Mueve el servomotor 5 al ángulo xxxx (-180…+180)

Fxxxx Mueve el servomotor 6 al ángulo xxxx (-180…+180)

A+/A- Incrementa/decrementa el ángulo del servomotor 1 un grado

B+/B- Incrementa/decrementa el ángulo del servomotor 2 un grado

C+/C- Incrementa/decrementa el ángulo del servomotor 3 un grado

D+/D- Incrementa/decrementa el ángulo del servomotor 4 un grado

E+/E- Incrementa/decrementa el ángulo del servomotor 5 un grado

F+/F- Incrementa/decrementa el ángulo del servomotor 6 un grado

Tn Establece el número µs entre movimientos (1…9)

T+/T- Incrementa/decrementa el número µs entre movimientos

T Muestra el número µs entre movimientos

P Almacena posición actual en el primer bloque libre

w Borra la última posición almacenada

W Borra todas las posiciones almacenadas

S Ejecuta la secuencia almacenada desde la primera posición hasta el final

o Abre la pinza completamente

m Cierra la pinza a la posición intermendia

c Cierra la pinza completamente

L Gira la pinza a la izquierda

C Gira la pinza al centro

R Gira la pinza a la derecha

* Muestra la posición actual (ángulos de los 6 servomotores)

r Muestra calibración (ángulos de los 6 servomotores en la posición cero)

Z Borra información de calibración y posiciones almacenadas

# Lleva el brazo a la posición 0

$ Para el movimiento

% Desconecta servomotores

@ Reinicia el sistema

Tabla 13: Comandos



En la función LeeSerial() en el código fuente se puede ver cómo el programa

realiza cada una de estas acciones según los caracteres que vayan recibiéndose por

el puerto de comunicaciones. Básicamente se almacenan los caracteres recibidos en

un buffer hasta que se reciba un código se final de línea; en ese momento, según el

número de caracteres recibidos, se realiza la comprobación del comando contenido

en el buffer y se actúa en consecuencia.

Puesto que las líneas de transmisión y recepción del módulo Bluetooth están

conectadas a las líneas de transmisión y recepción de Arduino, todos los comandos

disponibles por el puerto serie lo están también de forma inalámbrica a través de la

conexión Bluetooth.

Para el manejo remoto con cualquier teléfono móvil con sistema operativo

Android o IOS se puede utilizar alguna de las aplicaciones genéricas configurables

de comunicación Bluetooth. En este caso, se ha descargado la aplicación “Bluetooth

serial controller” para Android, que dispone de un conjunto de botones

personalizables por el usuario; para cada uno se establece el texto que aparece en

el botón, el comando que se envía al pulsarlo y el tiempo de repetición entre envíos

sucesivos cuando permanece pulsado. Los botones se han configurado para cada

uno de los movimientos de las articulaciones, giro, apertura y cierre de la pinza,

puesta a cero, grabación y ejecución de secuencias, etc. En la Ilustración 47 se

muestra una captura de la pantalla principal de la aplicación.

Ilustración 47: Aplicación de control Bluetooth



En la Tabla 14 se muestra la lista de funciones de los de botones disponibles en la aplicación según la configuración establecida para manejar el brazo robótico.

Botón Función

A+/A- Giro de la base

B+/B- Giro del hombro

C+/C- Giro del codo

D+/D- Giro de la muñeca

L Giro de la pinza a la izquierda

C Giro de la pinza al centro

R Giro de la pinza a la derecha

CL Cierra la pinza

MID Cierra la pinza sin apretar

OP Abre la pinza

T+/T- Incrementa/decrementa velocidad

POS Añade posición actual en la secuencia

SEC Ejecuta secuencia desde el principio

CLR Borra última posición de la secuencia

PAR Para todos los movimientos

INF Muestra ángulos actuales

ZER Lleva a la posición inicial

STP Deshabilita servomotores

RST Reinicia el sistema

Tabla 14: Función de los botones de la aplicación

5. CONCLUSIONES



5. CONCLUSIONES

En este capítulo se analizarán los resultados obtenidos una vez terminado el

proyecto propuesto.

Lo primero a destacar es que se ha alcanzado la meta deseada, que era poder

diseñar, fabricar y poner en funcionamiento un brazo robótico hecho mediante una

impresora 3D doméstica. Con esto se comprueba que el método de fabricación

escogido, el de impresión 3D, permite a cualquier usuario realizar pequeños

proyectos sin que suponga un coste elevado y pudiendo utilizar herramientas de

código libre, como son Cura o Arduino. Este último ha sido fundamental en la

dotación de movilidad al brazo, ya que ha permitido automatizar sus movimientos

con componentes electrónicos económicos y sin tener grandes conocimientos de

informática.

No obstante, se han encontrado algunas limitaciones durante la realización del

trabajo. La primera de ellas viene ligada al tipo de impresora 3D que se ha utilizado.

Esta, al ser un modelo de bajo coste, implica restricciones de tamaño, ya que el

espacio de impresión es pequeño, así como de calidad, debido a que el propio

usuario es el que tiene que calibrar y ajustar la máquina.

También se han encontrado limitaciones relacionadas con los actuadores

utilizados para mover el brazo robótico. Los servomotores elegidos, si bien son muy

económicos, tienen un movimiento brusco que hace que en la trayectoria del robot

se produzcan pequeños saltos y vibraciones. En este caso, en el que la tarea a

realizar por el manipulador era simplemente desplazar objetos pequeños de un

punto a otro, esto no ha supuesto un gran obstáculo, pero lo sería si se buscase

una aplicación más delicada, o en la que el robot tuviera un espacio de trabajo

reducido o de difícil acceso.

A pesar de los inconvenientes encontrados, este trabajo ha sido fructífero, no

solo porque se ha cumplido el objetivo propuesto, sino también porque en el proceso

de realización se han adquirido conocimientos de diversas materias como mecánica,

fabricación, electrónica y programación, cuya combinación ha dado lugar a un

trabajo multidisciplinar.

BIBLIOGRAFÍA



Bibliografía

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RepRap. https://reprap.org/ [Consultado junio 2018]

Anexo 1: Código Fuente



Anexo 1: Código Fuente

Se incluye a continuación el código fuente completo del sketch de Arduino que implementa el sistema de control del brazo robótico.

#include <EEPROM.h> #include <Servo.h> // Constantes // Asignacion de pines #define LED_MOVE 13 #define LED_MANUAL 11 #define LED_AUTO 10 #define LED_STOP 9 #define IN_MANUAL 8 // Limites calculo pulsos servos (0...180) => (-90...+90) #define MIN_PULSE 600 #define MAX_PULSE 2400 // Limites pulsos servos E,F (0...180) => (-90...+90) #define MIN_PULSE_EF 600 #define MAX_PULSE_EF 2400 // Limites pulsos servos A, B, C, D (15...165) => (-75...+75) #define MIN_PULSE_ABCD 750 #define MAX_PULSE_ABCD 2250 // Retardeo movimientos (periodo PWM) #define MS_DELAY 20 // Incremento microsegundos #define US_STEP 3 // Incremento comandos +/- #define US_DELTA 10 // Variables globales // Variables para controlar los servos Servo servoMotor[6]; // Angulos iniciales 79,84,128,125,90,30 unsigned short inivalue[6]=90,90,90,90,90,90; // Microsegundos actuales unsigned int actvalueus[6]; // Microsegundos destino unsigned int newvalueus[6]; // Buffer puerto serie char Data[16]=""; // Puntero buffer serie int ptrData=0; // Contador de posiciones en secuencias short Secuencia=0; // Ultima posicion ocupada short LastPos; // Modo manual bool Manual; // Modo parada bool Stop=LOW; // Mostrar informacion de angulos bool prnInfo=true; // uSeconds a incrementar int usStep=US_STEP; // Funcion de reset void(* Reset) (void) = 0; // Funcion setup void setup() short i; // Mira si EEPROM esta o no inicializada // Si lo esta lee angulos inicialies y si no los inicializa if(EEPROM.read(0)==0xFF) BorraEEPROM(0,1024); for(i=0;i<6;i++) EEPROM.write(i,inivalue[i]);



LastPos=0; else for(i=0;i<6;i++) inivalue[i]=EEPROM.read(i); for(i=1;i<100;i++) if(EEPROM.read(8*i)==0xFF) break; LastPos=--i; // Inicializa puero serie a 115200 baudios Serial.begin(115200); // Configura pines de E/S for(i=8;i<=13;i++) pinMode(i,OUTPUT); digitalWrite(i,LOW); pinMode(IN_MANUAL,INPUT_PULLUP); // Detecta modo manual Manual=!digitalRead(IN_MANUAL); if(Manual) usStep=1; digitalWrite(LED_MANUAL,HIGH); Serial.println("Suelte"); while(!digitalRead(IN_MANUAL)) digitalWrite(LED_MANUAL,LOW); // Inicializa servos pinMode(IN_MANUAL,OUTPUT); digitalWrite(IN_MANUAL,LOW); for(i=5;i>=0;i--) newvalueus[i]=CalcuSeconds(i,inivalue[i],0); actvalueus[i]=newvalueus[i]; servoMotor[i].attach(7-i,MIN_PULSE,MAX_PULSE); servoMotor[i].writeMicroseconds(actvalueus[i]); digitalWrite(i+8,HIGH); delay(500); digitalWrite(i+8,LOW); // En modo manual espera hasta que los potenciometros se ajusten al cero if(Manual) WaitZero(); digitalWrite(LED_MANUAL,Manual); digitalWrite(LED_AUTO,!Manual); digitalWrite(LED_STOP,LOW); pinMode(IN_MANUAL,INPUT_PULLUP); printAngulos(); // Para los servos void StopServos() short i; Stop=HIGH; for (i=0;i<6;i++) servoMotor[i].detach(); digitalWrite(LED_STOP,HIGH); digitalWrite(LED_AUTO,LOW); digitalWrite(LED_MANUAL,LOW); // Mueve servos void Move(int servo) short i; if(newvalueus[servo]!=actvalueus[servo]) digitalWrite(LED_MOVE,HIGH); if(newvalueus[servo]>actvalueus[servo])



actvalueus[servo]+=usStep; if(actvalueus[servo]>newvalueus[servo]) actvalueus[servo]=newvalueus[servo]; else actvalueus[servo]-=usStep; if(actvalueus[servo]<newvalueus[servo]) actvalueus[servo]=newvalueus[servo]; actvalueus[servo]=CalcuSeconds(servo,0,actvalueus[servo]); servoMotor[servo].writeMicroseconds(actvalueus[servo]); for (i=0;i<6;i++) if(newvalueus[i]!=actvalueus[i]) break; if(i==6) printAngulos(); if(Secuencia) if(++Secuencia==100) Secuencia=0; else LoadPos(Secuencia); if(!Secuencia) Serial.println("Final Secuencia"); else Serial.print("Pos: "); Serial.println(Secuencia); digitalWrite(LED_MOVE,LOW); // Espera a que los potenciometros coincidan con el angulo inicial void WaitZero() short i, value, cnt=0; Serial.println("Ajuste ceros"); while (cnt!=6) cnt=0; for(i=0;i<6;i++) if(i<4) value = map(analogRead(5-i),0,1023,15,165); value=180-value; else value = map(analogRead(5-i),0,1023,0,180); if(abs(value-inivalue[i])>2) digital0Write(8+i,HIGH); else digitalWrite(8+i,LOW); cnt++; delay(1000); Serial.println("Ceros ajustados"); // Lee ADC de los potenciometros y calcula tON de los servos void LeeADC(int pot) unsigned short value; if(pot<4) value = map(analogRead(5-pot),0,1023,165,15);



else value = map(analogRead(5-pot),0,1023,0,180); if(abs(value-servoMotor[pot].read())>=2) newvalueus[pot]=CalcuSeconds(pot,value,0); // Lee puerto serie y procesa comandos void LeeSerial() char ch; short i, servo, value; while (Serial.available()>0) Data[ptrData]=Serial.read(); if(Data[ptrData]!=' ') if(Data[ptrData]==13 || Data[ptrData]==10) Data[ptrData]=0; value=atoi(Data+1); if(!Stop) switch (ptrData) case 1: switch (Data[0]) case 'o': // Abre pinza completamente newvalueus[5]=CalcuSeconds(5,inivalue[5]+90,0); break; case 'm': // Cierra pinza (posicion media) newvalueus[5]=CalcuSeconds(5,inivalue[5],0); break; case 'c': // Cierra pinza completamente newvalueus[5]=CalcuSeconds(5,inivalue[5]-90,0); break; case 'L': // Gira pinza a la izquierda newvalueus[4]=CalcuSeconds(4,inivalue[4]+90,0); break; case 'C': // Gira pinza al centro newvalueus[4]=CalcuSeconds(4,inivalue[4],0); break; case 'R': // Gira pinza al derecha newvalueus[4]=CalcuSeconds(4,inivalue[4]-90,0); break; case '*': // Muestra posicion actual prnInfo=true; printAngulos(); break; case 't': // Muestra incremento entre movimientos case 'T': printusStep(); break; case 'r': // Muestra informacion de calibracion ViewPos(0); break; case 'Z': // Borra informacion de calibracion y posiciones BorraEEPROM(0,1024); break; case 'P': // Salva posicion actual e incrementa posicion if(LastPos<99) SavePos(++LastPos); ClearPos(LastPos+1); Serial.print("Saved: "); Serial.println(LastPos); break; case 'w': // Borra ultima posicion y decrementa posicion if (LastPos>0) ClearPos(LastPos);



Serial.print("Clear: "); Serial.println(LastPos--); break; case 'W': // Borra todas las posiciones BorraEEPROM(8,1016); break; case 'S': // Empieza secuencia desde el inicio Secuencia=1; LoadPos(Secuencia); if(Secuencia!=0) Serial.print("Pos: "); Serial.println(Secuencia); break; case '#': // Va a cero Secuencia=0; LoadPos(0); break; case '$': // Stop Secuencia=0; for(i=0;i<6;i++) newvalueus[i]=actvalueus[i]; break; case '%': // Off StopServos(); break; case '@': // Reset Reset(); break; break; case 2: // Posiciona angulo a mas o menos 1 grado // A+, A-, B+, B-, C+. C-, D+, D-, E+, E-, F+, F- // Modifica tiempo entre movimientos (Tn, T+, T-) if(Data[0]=='T' || Data[0]=='t') if(value) usStep=value; else value=1; switch(Data[1]) case '+': if(++usStep==10) usStep=9; break; case '-': if(--usStep==0) usStep=1; break; default: value=0; if(value) printusStep(); break; else servo=Data[0]>0x60 ? servo=Data[0]-0x61 : servo=Data[0]-0x41; if(servo>=0 && servo<=5) if(Data[1]=='+' || Data[1]=='-') switch(Data[1]) case '+':



if(servo==1 || servo==3) newvalueus[servo]-=US_DELTA; else newvalueus[servo]+=US_DELTA; break; case '-': if(servo==1 || servo==3) newvalueus[servo]+=US_DELTA; else newvalueus[servo]-=US_DELTA; break; prnInfo=false; newvalueus[servo]=CalcuSeconds(servo,0,newvalueus[servo]); break; case 3: // Comandos relativos a la gestion de posiciones if(value && value<100) // Salva posicion actual Pxx (01...99) if(Data[0]=='p' || Data[0]=='P') SavePos(value); break; // Recupera y mueve a la posicion Lxx (01...99) if(Data[0]=='l' || Data[0]=='L') LoadPos(value); break; // Muestra posicion Vxx (01...99) if(Data[0]=='v' || Data[0]=='V') ViewPos(value); break; // Borra posicion Wxx (01...99) if(Data[0]=='w' || Data[0]=='W') ClearPos(value); break; // Ejecuta secuencia a partir de posicion Sxx (01...99) if(Data[0]=='s' || Data[0]=='S') Secuencia=value; LoadPos(Secuencia); if(Secuencia!=0) Serial.print("Pos: "); Serial.println(Secuencia); break; case 4: // Posiciona angulo a un valor (-180 ... +180) case 5: // Axxxx, Bxxxx, Cxxxx, Dxxxx, Exxxx, Fxxxx servo=Data[0]>0x60 ? servo=Data[0]-0x61 : servo=Data[0]-0x41; if(servo>=0 && servo<=5) if(value>=-180 && value<=180) value+=90; if(servo==1 || servo==3) value=180-value; value=value+inivalue[servo]-90; prnInfo=true;



newvalueus[servo]=CalcuSeconds(servo,value,0); break; else // En modo STOP solo admite reset if(ptrData==1 && Data[0]=='@') Reset(); ptrData=0; else ++ptrData&=0xF; // Calcula microsegundos a partir del angulo unsigned int CalcuSeconds(short servo, short angle, int uSeconds) if(!uSeconds) uSeconds=map(angle,0,180,MIN_PULSE,MAX_PULSE); return (servo<4 ? constrain(uSeconds,MIN_PULSE_ABCD,MAX_PULSE_ABCD) : constrain(uSeconds,MIN_PULSE_EF,MAX_PULSE_EF)); // Borra bloque de momoria EEPROM void BorraEEPROM(int ini, int n) int dir; for(dir=ini;dir<ini+n;dir++) EEPROM.write(dir,0xFF); // Guarda angulos de una posicion void SavePos(short pos) int dir; short i; dir=8*pos; for(i=0;i<6;i++) EEPROM.write(dir+i,servoMotor[i].read()); // Recupera angulos de una posicion void LoadPos(short pos) int dir; short i; dir=8*pos; if(EEPROM.read(dir)!=0xFF) for(i=0;i<6;i++) newvalueus[i]=CalcuSeconds(i,EEPROM.read(dir+i),0); else Secuencia=0; // Borra una posicion void ClearPos(short pos) BorraEEPROM(8*pos,8); // Muestra angulos de una posicion por puerto serie void ViewPos(short pos) int dir; short i; dir=8*pos; for(i=0;i<8;i++) Serial.print(EEPROM.read(dir+i)); if(i<7) Serial.print(" "); else Serial.println(""); // Imprime incremento entre movimientos void printusStep()



Serial.print("T="); Serial.println(usStep); // Imprime angulos actuales void printAngulos() short i; int value; if(!prnInfo) prnInfo=true; return; for(i=0;i<6;i++) value=servoMotor[i].read()-inivalue[i]; if(i==1 || i==3) value=-value; Serial.print(value); if(i<5) Serial.print(" "); else Serial.println(""); // Bucle principal del programa void loop() short i,j; for(i=0;i<6;i++) if(!digitalRead(IN_MANUAL)) if(Manual) Manual=LOW; digitalWrite(LED_MANUAL,Manual); digitalWrite(LED_AUTO,!Manual); for(j=0;j<6;j++) inivalue[j]=servoMotor[j].read(); EEPROM.write(j,inivalue[j]); Serial.println("Valores salvados"); while(!digitalRead(IN_MANUAL)) printAngulos(); else if (!Stop) StopServos(); if(Manual) LeeADC(i); else LeeSerial(); if(!Stop) Move(i); delay(MS_DELAY);

Anexo 2: Lista de materiales



Anexo 2: Lista de materiales

Se incluye una lista de materiales con precios orientativos. Esta lista no pretende ser un presupuesto del prototipo desarrollado sino una orientación sobre el bajo coste de los componentes utilizados.

Descripción Cantidad Precio

Rollo de filamento PLA de 1.75mm (1 kg) 1 15,00€

Servomotor TowerPro MG90S 2 2,00 €

Servomotor TowerPro MG91 2 4,50 €

Servomotor TowerPro MG92B 2 5,00 €

Fuente de alimentación 5V 2A 1 4,00 €

Placa Arduino UNO r3 1 6,00€

Placa Shield de prototipos 1 6,00€

Placa 6 LED 1 1,00€

Módulo BlueTooth HC-06 1 4,00€

Potenciómetro 10kΩ 6 0,15€

Pulsador 1 0,10€

Tabla 15: Lista de materiales

Anexo 3: Diseño de la caja que aloja el sistema de control



Anexo 3: Diseño de la caja que aloja el sistema de control

La caja que aloja el sistema de control, es decir, la placa Arduino con el shield de prototipos donde se han montado todos los componentes necesarios, ha sido diseñada con una aplicación online: Tinkercad. Esta aplicación es muy sencilla de manejar pero permite el diseño de piezas de cierta complejidad y está orientada a la impresión de las mismas mediante técnicas FDM. No obstante tiene la limitación de que, aunque entrega los archivos STL necesarios para el software de laminado, no permite la generación de planos acotados.

Se ha elegido esta aplicación para el diseño de la caja para probar sus posibilidades y los resultados han sido bastante satisfactorios.

La caja diseñada consta de una envoltura formada por dos piezas atornillables que encierran la circuitería electrónica. Ambas se han diseñado con perforaciones que permiten el acceso a los conectores y el paso de los cables de los servomotores. También se han dispuesto agujeros para acceder a los potenciómetros y pulsadores de control y se han diseñado las piezas necesarias para manipularlos desde el exterior.

Se presentarán a continuación algunas capturas de pantalla de la caja diseñada mediante esta aplicación.

En la Ilustración 48 y la Ilustración 49 se muestran las dos piezas que conforman la caja. Además de los orificios comentados anteriormente, la parte superior de la caja tiene grabados números y letras que indican el potenciómetro o el pulsador al que corresponde cada botón.

Ilustración 48: Parte inferior de la caja



Ilustración 49: Parte superior de la caja

Como ya se ha mencionado, los pulsadores y los potenciómetros quedan en el

interior de la caja, por lo que se han diseñado unas piezas que permiten el manejo

de los mismos desde el exterior (Ilustración 50).

Ilustración 50: Botones

A continuación se muestra el montaje de la caja (Ilustración 51), así como

algunas vistas de la caja ya cerrada (Ilustración 52).



Ilustración 51: Montaje de la caja

Ilustración 52: Caja cerrada



Por último, se incluye una fotografía de la caja ya terminada y con el sistema de

control conectado al robot (Ilustración 53).

Ilustración 53: Fotografía de la caja

Anexo 4: Galería fotográfica



Anexo 4: Galería fotográfica

El brazo robótico junto con la caja que aloja el sistema de control han sido fijados a una base de metacrilato para que sea más sencillo su transporte y manejo. Se mostrarán a continuación, a título ilustrativo, algunas fotografías del conjunto terminado.

Ilustración 54: Brazo robótico en la posición de inicio



Ilustración 55: Proceso de montaje



Ilustración 56: Vista del sistema electrónico



Ilustración 57: Brazo robótico en diferentes posiciones

Anexo 5: Planos



Anexo 5: Planos

Se incluyen a continuación los planos de todas las piezas diseñadas. En la Tabla 16 se muestra la lista de todos ellos.

Plano Descripción

1 Plano de conjunto

2 Despiece 1.1 – Base

3 Despiece 1.2 – Hombro

4 Despiece 1.3 – Brazo

5 Despiece 1.4 – Antebrazo

6 Despiece 1.5 – Muñeca A

7 Despiece 1.6 – Muñeca B

8 Despiece 1.7 – Soporte

9 Despiece 1.8 – Pinza A

10 Despiece 1.9 – Pinza B

Tabla 16: Lista de planos

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