UN BRAÇ ROBÒTIC
45
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’ UN BRAÇ ROBÒTIC Nom i cognom: Ilias Majjouti Curs: 2n BATX A Data: 09/12/2020 Tutor: Josep Castellà INSTITUT DE VIC
Transcript of UN BRAÇ ROBÒTIC
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
Nom i cognom: Ilias Majjouti
Curs: 2n BATX A
Data: 09/12/2020
Tutor: Josep Castellà INSTITUT DE VIC
RESUMEN
En mi trabajo de recerca se estudia, se diseña y se construye un brazo robótico. La parte
teórica la he dividida en dos partes. En la primera se expone un recorrido por la historia
de la industria. Se comienza con la máquina de vapor hasta la automatización y
robotización de la Industria 4.0: una nueva manera de organizar los medios de
producción enfocada para la próxima década. En la segunda parte, se hace un estudio de
las aplicaciones, funcionamiento y tipos de brazos robóticos industriales.
En la parte práctica, se diseña y se fabrica un brazo robótico articulado. Es una maqueta
pero tiene un funcionamiento similar al industrial. Su objetivo principal es transportar
objetos de una cierta carga de un lugar a otro. Está constituido por dos brazos y unas
pinzas de madera que giran gracias a tres servomotores y un motor paso a paso.
El robot está gobernado por dos joysticks e incorpora una pantalla de cristal líquido en
la parte frontal. Está programado con Arduino y diseñado con SolidWorks. En el anexo
se adjuntan todos los planos de las piezas, así como el esquema gráfico de la conexión
eléctrica y el código del programa. En conclusión, ha sido un reto muy difícil construir
el brazo robótico. Sin embargo, con esfuerzo y dedicación he logrado mi objetivo con
un resultado muy satisfactorio.
ABSTRACT
In my research work, a robotic arm is studied, designed and built. The theoretical part is
divided into two parts. In the first one, I look over throughout the history of the
industry. It starts with the steam engine up to the automation and robotisation of
Industry 4.0: a new way of organizing the means of production focused on the next
decade. In the second part, I do a study of the applications, operation and types of
industrial robotic arms.
In the practical part, an articulated robotic arm is designed and manufactured. Although
it is only a mock-up, it works quite similar as an industrial one. Its main purpose is to
haul objects of a certain load from one place to another. It is made up of two arms and
wooden grips that rotate thanks to three servo motors and a stepper motor.
The robot is controlled by two joysticks and incorporates a LCD (liquid crystal display)
on the front. The automaton is programmed with Arduino and designed with
SolidWorks. In the annex are attached all the plans of the pieces, as well as the graphic
diagram of the electrical connection and the program code. In conclusion, it has been a
really arduous challenge to build the robotic arm. However, with effort and dedication I
have achieved my goal with great contentedness.
ÍNDEX
1. INTRODUCCIÓ ................................................................................................ 1
2. ESTUDI DE LA HISTORIA I LA EVOLUCIÓ INDUSTRIAL .................. 2
2.1 Primera revolució industrial ......................................................................... 2
2.2 Segona revolució industrial .......................................................................... 3
2.3 Tercera revolució industrial .......................................................................... 4
2.4 Quarta revolució industrial o Industria 4.0 .................................................. 5
2.4.1 Intel·ligència artificial ......................................................................... 6
2.4.2 Robòtica ............................................................................................... 7
2.4.3 Internet de les coses (IoT) i ciberseguretat .......................................... 7
2.4.4 Big data i sistemes d’integració ........................................................... 8
2.4.5 Cloud computing .................................................................................. 9
2.4.6 Simulació digital i realitat augmentada ............................................. 10
3. ESTUDI DEL BRAÇ ROBÒTIC INDUSTRIAL ......................................... 10
3.1 Introducció ................................................................................................... 10
3.2 Parts i funcionament del braç robòtic ........................................................... 11
3.3 Aplicació del braç robòtic a la industria ....................................................... 12
3.4 Tipus de braços robòtics .............................................................................. 15
3.4.1 Robot cartesià .................................................................................. 15
3.4.2 Robot esfèric o polar ........................................................................ 16
3.4.3 Robot articulat .................................................................................. 16
3.4.4 Robot SCARA ................................................................................. 17
3.4.5 Robot delta ....................................................................................... 18
4. CONSTRUCCIÓ I FUNCIONAMENT D’UN BRAÇ ROBÒTIC ............ 19
4.1 Memòria descriptiva .................................................................................... 19
4.2 Components electrònics ............................................................................... 20
4.3 Materials emprats i eines ............................................................................. 26
4.4 Procediment de muntatge ............................................................................ 28
4.5 Funcionament del programa ........................................................................ 32
5. CONSLUSIONS ............................................................................................... 36
6. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................. 37
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
1
1. INTRODUCCIÓ
Actualment, ens trobem en una societat on la tecnologia i la ciència tenen un paper clau
en tots els àmbits. La digitalització, la robòtica i la intel·ligència artificial van guanyant
importància amb el pas del temps. De fet ens trobem a les portes d’una quarta revolució
industrial: l’anomenada Industria 4.0. Davant d’aquesta situació he decidit fer un treball
de recerca titulat: disseny i construcció d’un braç robòtic.
M’he proposat el repte de manufacturar des de zero un braç articulat. Abans, però, he fet
un estudi teòric que m’ha servit per fonamentar la part teòrica. Començant amb la
màquina de vapor fins a l’actualitat, he fet un recorregut històric de les múltiples
revolucions industrials que hi ha hagut durant aquest període. Després he classificat les
variants de braços robòtics industrials aplicats a la indústria 3.0.
Les qüestions que pretenc respondre amb la consignació d’aquest treball són:
Quina evolució industrial hi ha hagut en els últims segles?
Quins tipus de braços industrials són els més utilitzats?
Quina és la nova concepció d’indústria enfocada a la pròxima dècada?
En cap moment he perdut de vista l’objectiu principal del treball: dissenyar i construir
un braç robòtic articulat. Estarà controlat per dos joysticks que faran funcionar cada un
dels quatre motors dels quals està composat. Utilitzaré tan el software com el hardware
d’Arduino i el dissenyaré amb el programa CAD anomenat SolidWorks.
En la part pràctica, es dissenya i es fabrica un braç robòtic articulat. És una maqueta
però té un funcionament semblant a l’industrial. El seu objectiu principal és transportar
objectes d’una certa càrrega d’un lloc a un altre. Està constituït per dos braços i unes
pinces de fusta que giren gràcies a tres servomotors i un motor pas a pas.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
2
2. ESTUDI DE LA HISTÒRIA I LA EVOLUCIÓ
INDUSTRIAL
Al llarg de la història, la humanitat ha hagut de desenvolupar els seus coneixements per
poder sobreviure. Tot va començar amb un pal acabat en punta per poder atacar els
animals i alimentar-se de la seva carn. Amb el pas del temps, es van crear els primers
conreus i cries d’animals a fi d’explotar millor els seus recursos. Segles més tard, van
aparèixer les primeres indústries. Durant aquest període, es va marcar una ruptura en el
curs de la història i els agricultors i ramaders es van transformar en manipuladors de
màquines. Aquesta transformació tecnològica, social i econòmica serviria d’exemple a
generacions futures. Pocs anys més tard, va aparèixer la Segona Revolució Industrial.
Basada en el fordisme, les industries produïen en massa i a un preu baix. Es va
substituir el carbó per el petroli i l’electricitat, i van aparèixer els primers cotxes i
avions.
No va ser fins al 2006 que es va passar a la tercera revolució industrial. És un nou
concepte basat en la transició de les energies renovables i l’automatització. Actualment,
moltes empreses van passar a apostar per la Indústria 4.0. Correspon a una nova manera
d’organitzar la producció amb una eficiència molt alta i capaces d'adaptar-se més a les
necessitats i als processos de producció. Així és com l’ésser humà ha hagut d’aplicar els
seus coneixements al llarg de la història per treure el màxim de profit dels recursos
energètics disponibles.
2.1 PRIMERA REVOLUCIÓ INDUSTRIAL
La Primera Revolució Industrial és un procés de transformació econòmic, social i
tecnològic. El seu inici data la segona meitat de segle XVIII. Va sorgir a Gran Bretanya
i es va estendre per la major part d'Europa occidental i Amèrica. Els avenços tècnics
com ara la màquina de vapor, l'explosió demogràfica i l'èxode rural per la mà d'obra,
van ser factors que van remarcar encara més aquesta revolució industrial.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
3
Durant aquest període es va viure el major conjunt de transformacions econòmiques,
tecnològiques i socials de la història de la humanitat des de l’Edat Moderna. Es va veure
el pas des d'una economia rural basada fonamentalment en l'agricultura i el comerç a
una economia de caràcter urbà, industrialitzada i mecanitzada.
L'expansió del comerç va ser possible gràcies al desenvolupament de les comunicacions
amb la construcció de vies fèrries, canals i carreteres. La introducció de la màquina de
vapor de James Watt en les diferents indústries va ser el pas definitiu en l'èxit d'aquesta
revolució, ja que el seu ús va significar un augment en la capacitat de producció. Anys
més tard, es van desenvolupar els primers vaixells i els ferrocarrils a vapor.
Fig.1: Indústria tèxtil durant la Primera Revolució Industrial
2.2 SEGONA REVOLUCIÓ INDUSTRIAL
La Segona Revolució Industrial, també coneguda com Revolució Tecnològica, va ser
una fase d’industrialització entre el 1870 i 1914 (començament de la Primera Guerra
Mundial). La Primera Revolució Industrial, que va finalitzar a la meitat del segle XIX,
va quedar en un segon pla amb els grans canvis que aportava la Segona Revolució
Industrial.
La invenció del procés Bessemer per produir acer i del sistema Solvay de producció del
carbonat de sodi són exemples de les innovacions respecte la Primera Revolució. Els
invents de la segona meitat del segle XIX van ser fruit d'una cooperació més intensa
entre la investigació científica i tecnològica. Es va perfeccionar el funcionament de les
màquines de vapor alimentades amb carbó i es va millorar la producció siderúrgica.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
4
Un gran canvi que es va donar va ser la utilització de noves fonts d'energia com
l'electricitat i el petroli. La investigació en l'àmbit químic va permetre noves aplicacions
industrials en colorants, perfums, explosius, medicines...
Pel que fa a l'organització del treball es produeixen canvis significatius. El treball
s'automatitza seguint els criteris del taylorisme, que suposava l'eliminació dels gestos
considerats inútils del fordisme. Alhora les grans empreses creixien i concentraven un
nombre creixent d'obrers, com també apareixen bancs de negocis que treballaven amb
capitals propis. En un principi invertien en les indústries i, finalment, les van acabar
controlant ja que depenien dels seus crèdits. La fusió entre el capital industrial i el
bancari va donar pas a un nou tipus de capitalisme: el capitalisme financer.
Fig.2: Indústria automovilística que aplicava el taylorisme
2.3 TERCERA REVOLUCIÓ INDUSTRIAL
La Tercera Revolució Industrial, també anomenada Revolució cientificotecnològica
(RCT), és un nou concepte i una fusió d'idees plantejat per Jeremy Rifkin al 2006.
L’avanç de les tecnologies de les comunicacions, el gran desenvolupament i ús
d'Internet i de les energies renovables, donen lloc a la Tercera Revolució Industrial.
Apareixen els termes d’automatització i robotització que són l'ús d’elements
computeritzats que redueixen la necessitat de treball humà en la producció de béns i
serveis. Aquestes tecnologies permeten controlar processos industrials en substitució
dels operadors humans.
Les màquines que constitueixen la Industria 3.0 disposen d’un sistema automàtic
format, alhora, per:
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
5
Sistema de control: part d’un sistema automàtic destinat a governar el
funcionament d’acord amb el seu programari. Està format, principalment, per els
microprocessadors.
Màquines i mecanismes: actuen directament sobre els elements amb els quals
treballa un sistema automàtic. Estan controlats per el sistema de control per tal
d’executar el procés de manera automàtica.
Per altra banda, la Tercera Revolució Industrial és constituïda per cinc pilars:
El canvi a una major utilització de les energies renovables.
Una transformació en les edificacions. Cada edifici hauria de produir la seva
pròpia energia neta.
El desenvolupament de les bateries recarregables, piles d'hidrogen i d'altres
noves tecnologies d'emmagatzematge d'energia.
L’aposta a la xarxa elèctrica intel·ligent (smart grid). Permet controlar la
producció i distribució de l'energia, normalment, elèctrica.
El desenvolupament del transport basat en el vehicle elèctric com ara vehicles
elèctrics, híbrids endollables i híbrids elèctrics regulars. També per a les piles
de combustible, utilitzant l'electricitat renovable com a energia de propulsió
Fig.3: Automatització i robotització en la indústria
2.4 QUARTA REVOLUCIÓ INDUSTRIAL O INDÚSTRIA 4.0
La Indústria 4.0 correspon a una quarta etapa projectada cap a la tercera dècada del
segle XXI i planteja una nova manera d'organitzar els mitjans de producció. El seu
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
6
objectiu és la posada en marxa d'un gran nombre de fàbriques intel·ligents (smart
factories) capaces d'adaptar-se a les necessitats i els processos de producció.
Els seus objectius principals són:
Crear plantes industrials i generadors d'energia més intel·ligents i respectuosos
amb el medi ambient.
Acumular grans quantitats de dades, utilitzar algoritmes per a processar-los i
fomentar la interconnexió massiva de sistemes i dispositius digitals.
Millorar l’eficiència i la rendibilitat de la producció gràcies a la
intercomunicació entre les màquines i prosperant els mercats d'oferta i demanda.
Emfatitzar la digitalització i coordinació cooperativa en totes les unitats
productives de l’economia.
El concepte d'Indústria 4.0 encara no és una realitat del tot consolidada. Correspon a un
desenvolupament industrial que marcarà importants canvis socials en els propers anys,
fent un ús intensiu d'Internet i de les tecnologies punta.
Les bases d’aquest tipus d’indústria són: la simulació, la realitat augmentada, la
intel·ligència artificial, els robots, l’Internet de les coses, la ciberseguretat, el sistema
d’integració, el cloud computing i el big data. Seguidament, explicaré en què
consisteixen aquests fonaments.
2.4.1 INTEL·LIGÈNCIA ARTIFICIAL
La intel·ligència artificial (IA) és una branca de la informàtica dedicada al
desenvolupament d'algorismes que permet a una màquina prendre decisions. Aquestes
decisions són automàtiques i intel·ligents o, si més no, es realitzen com si tinguessin
una intel·ligència semblant a la humana. Les màquines que disposen d’IA, estan
equipades amb sensors físics, mecànics, polsos elèctrics o òptics, ... per tal que emetin i
rebin informació de manera més automatitzada i independent.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
7
La intel·ligència artificial no només és un pilar bàsic de la Indústria 4.0, si no per la
tecnologia en general. La trobem aplicada en l'àrea de control de sistemes, planificació
automàtica, l'habilitat de respondre a diagnòstics i a consultes dels consumidors, en el
reconeixement d'escriptura, de la parla i patrons. Els sistemes d'intel·ligència artificial
actualment són part de la rutina en camps com economia, medicina, enginyeria i la
milícia, i s'ha usat en gran varietat d'aplicacions i jocs d'estratègia com els escacs
d'ordinador.
2.4.2 ROBÒTICA
La robòtica industrial no és una novetat, existeix des de fa uns quants anys. No obstant,
si aquesta és aplicada a la Indústria 4.0, les coses canvien. Els robots fan la gran majoria
de les tasques de la planta productiva d’aquest tipus d’empreses. La Indústria 4.0
relaciona diferents robots de la mateixa planta i també amb altres sectors de l'empresa
per fomentar la coordinació.
La robòtica aplicada a la Indústria 4.0 és un paradigma que vol canviar la manera de
pensar d’una empresa. Aquest sistema de producció és aplicat en moltes indústries
multinacionals. És un mètode efectiu i molt segur. Amazon, per exemple, està usant
robots per les seves comandes des que es demanen fins que surten de la fàbrica.
Fig.4: Aplicació de la robotització en la Indústria 4.0
2.4.3 INTERNET DE LES COSES I CIBERSEGURETAT
La Internet de les coses (IoT) es refereix a una xarxa d'objectes de la vida quotidiana
interconnectats. El concepte és molt senzill però la seva aplicació és complicada. Si tots
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
8
els llibres, samarretes, telèfons, ... estiguessin equipats amb dispositius d'identificació, la
vida rutinària en el nostre planeta patiria una transformació. Per exemple, els robatoris
s'extingirien ja que coneixeríem el lloc on es troba el producte en qualsevol moment.
L‘Internet ha implicat una revolució tecnològica i les indústries s’hi han adaptat de la
millor manera. Dins la Indústria 4.0, tots els seus components estan interconnectats
seguint el mètode de l’IoT. Aporta molts avantatges com ara la coordinació entre les
diferents màquines de l’empresa i obtenció de dades en temps real. Molt important,
sobretot, per empreses de logística que necessiten informar els seus clients sobre l’estat
de les seves comandes.
Amb l'arribada de l'Internet de les Coses també s'ha disparat l'alarma al voltant de la
ciberseguretat en les empreses. L'alta connectivitat que requereix la Indústria 4.0 ha
provocat que s'introdueixin sistemes més oberts. Les noves facilitats de comunicació
aporten molts avantatges, però també incrementa la seva visibilitat i exposició a
determinats riscos derivats. Per això, que la ciberseguretat és un factor molt important el
qual s’hi inverteixen molts diners.
2.4.4 BIG DATA I SISTEMES D’INTEGRACIÓ
Big Data és el nom que reben els conjunts de dades informàtiques, que pel seu volum i
la velocitat a què han de ser processades, ultrapassen la capacitat dels sistemes
informàtics habituals. Amb cada clic al teclat o cada consulta a un cercador digital, es
deixa un rastre d’informació sobre les nostres preferències i futures tendències que es
podrien predir a través de patrons.
La informació és una arma poderosa per a la indústria 4.0 i el Big Data és la clau. Les
IoT produeixen una quantitat descomunal de dades. És per això que es necessiten bases
de dades i un equip de professionals que sigui capaç d'aportar valor a les dades que
permetran fer créixer la industria en qüestió.
Un altre concepte important de la Indústria 4.0 és tenir una major integració entre els
processos i sectors de les fàbriques per intercanviar informació de manera més ràpida i
eficient. D'aquesta manera, la presa de decisions es torna més veloç a fi d'augmentar la
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
9
productivitat, disminuir pèrdues, optimitzar recursos i aportar la transformació digital
dins de les indústries.
Cada robot i procés de la fàbrica genera i es proveeix amb dades. En un ambient sense
integració, tota la informació generada per una etapa del procés de manufactura s’hauria
de fer de forma manual, ineficient i analògica. Amb la incorporació de sistemes
d’integració, la gestió que tinguin entre màquines i processos és més fàcil d’analitzar.
Per exemple, permet saber si el que s'està fabricant realment concorda amb la demanda
rebuda i si els proveïdors i distribuïdors estan alineats amb aquesta producció.
2.4.5 CLOUD COMPUTING
El cloud computing és la disponibilitat de recursos del sistema informàtic, especialment
l’emmagatzematge de dades i la potència informàtica, sense una gestió directa de
l’usuari. El terme s'utilitza generalment per descriure centres de dades disponibles als
usuaris a través d'Internet des de qualsevol dispositiu.
El cloud computing es relaciona amb una reducció de costos, disminució de
vulnerabilitats i garantia de disponibilitat. Ens ofereix la possibilitat de disposar d'un
servei a través d'Internet totalment adaptat a les nostres necessitats. Permet tenir la
nostra informació i arxius protegits en el núvol. D’aquesta manera, no s’haurà d’invertir
gaires diners en infraestructures
per emmagatzemar dades
independentment de la seva
quantitat. A més, l'arribada del
cloud computing ens dóna altres
interessants avantatges com:
Fig.5: Cloud computing com a base de dades pel big data
Cost adaptat a la nostra demanda i consum.
Seguretat i disponibilitat, sempre que s'implementi adequadament i s'opti per
proveïdors de confiança.
Ràpida implementació i posada en marxa.
Accés a tota la informació en temps real quan es vulgui i des d'on es vulgui amb
qualsevol dispositiu amb connexió a Internet.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
10
2.4.6 SIMULACIÓ DIGITAL I REALITAT AUGMENTADA
La simulació digital és una tècnica en constant desenvolupament i evolució que
consisteix en fer una imitació computeritzada del producte que es vol fabricar. La
simulació en el món de la medicina, per exemple, ha suposat un gran avanç. Els metges
poden veure en una pantalla la simulació digital prèvia de com serà una operació abans
que es produeixi. Així doncs, poden analitzar la representació gràfica dels òrgans que
tractaran. Això simplifica molt la feina i minimitza els error d’una cirurgia
D’altra banda, la realitat augmentada (RA) és un terme que s'usa per descriure el
conjunt de tecnologies que permeten que a un usuari visualitzar el món real a través d'un
dispositiu. Aquest afegeix informació virtual a la informació física ja existent, és a dir,
una part virtual apareix en la realitat. D'aquesta manera els elements físics es combinen
amb elements virtuals creant així una realitat augmentada en temps real.
3. ESTUDI DEL FUNCIONAMENT D’UN
BRAÇ ROBÒTIC INDUSTRIAL
3.1 INTRODUCCIÓ
Un braç robòtic és un tipus de braç mecànic que utilitza tecnologia robòtica i és
totalment programable. És autònom i ha estat dissenyat per tal d'imitar les capacitats
d'un braç humà i la sensibilitat de la mà d'una persona. Les parts dels braços són
interconnectades a través d'articulacions que permeten fer diferents moviments com el
rotacional, el de translació o el desplaçament lineal.
S'utilitzen principalment per simular i, sobretot, amplificar la capacitat del braç humà
durant un procés de treball. Estan programats per automatitzar processos de treball
mecànics, repetitius i de grans volums de càrrega. Poden treballar de manera
independent o poden formar part d'un equip en una línia de muntatge, ja sigui amb
humans o amb altres robots.
Tenen múltiples avantatges com ara:
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
11
Augmenten el rendiment i redueixen els costos de producció.
No es perd la qualitat del producte ja que la seva precisió mai varia. Així doncs,
es caracteritzen per l’optimització i eficiència dels processos.
Eviten lesions, accidents laborals i baixes dels treballadors per realitzar treballs
d'esforç perillosos a l'estar exposats a ambients nocius per a la salut.
Els robots industrials tenen el principal benefici que són robots de gran
resistència i treballen en un mateix procés dia i nit els 365 dies de l'any.
Fig.6: Robot de l’empresa KUKA en la indústria
3.2 PARTS I FUNCIONAMENT DEL BRAÇ ROBÒTIC
El disseny d’un braç robòtic s'inspira, clarament, en el braç humà però amb algunes
millores. Per exemple, un braç robòtic es pot estendre telescòpicament, lliscant unes
seccions dins d'altres per allargar el braç. També existeixen braços robòtics que es
dobleguen en dos, tres o fins a quatre vegades. A l’acabament del braç, normalment hi
ha unes pinces que tenen la finalitat d’imitar la funció i estructura de la mà humana.
Altres robots, no obstant, no tenen pinces sinó altres instruments com podria ser un làser
per tallar metall.
Les articulacions d'un braç robòtic es mouen mitjançant motors elèctrics (servo
controladors) o per cilindres hidràulics o pneumàtics. Un ordinador calcula els angles
d'articulació necessaris per portar la pinça a la posició desitjada. Cada articulació del
braç té un dispositiu que mesura el seu angle i l’envia al controlador. Els controladors i
els ordinadors associats també han de processar les dades recollides pels sensors que
localitzen els objectes que s’han d’agafar, la força amb que es realitza, la velocitat del
conjunt...
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
12
Per a realitzar programacions complexes en els robots industrials de grans dimensions
es requereix de professionals àmpliament formats amb estudis en robòtica. Això és
degut a que són programacions multitasques amb diferents capçals i formes de treballar.
A més d’exercir la seva feina, els robots disposen de múltiples sensors que permeten
aturar la màquina en cas d’error o accident.
La part informàtica del robot està formada per:
Controlador: és el dispositiu que governa el robot. És on s’emmagatzema els
diferents programes que ha de realitzar el braç. Dins d’aquest hi podem
identificar dos subsistemes denominats «mòduls» que s'encarreguen d'actuar
sobre diferents àrees de la màquina:
Mòdul de control: té un microprocessador principal que governa el sistema.
En ell podrem localitzar diferents elements com el mecanisme d'atur
d'emergència, el selector de mode d'operació (manual/automàtic),
connexions amb altres mòduls, leds d'estat, etc.
Mòduls de potència: encarregat de regular l'alimentació elèctrica que
necessiten tant la resta de mòduls com els servos que mouen els eixos i fan
desplaçar el robot per les trajectòries i punts definits. Compta amb un
interruptor principal i altres accionaments que estan en comunicació amb els
sistemes de seguretat per suspendre el subministrament, en cas necessari.
3.3 APLICACIÓ DEL BRAÇ ROBÒTIC A LA INDÚSTRIA
En la indústria 3.0, els robots no actuen sols. Si hi ha un problema en el procés de
producció, els treballadors han de parar la cadena de producció i localitzar l’errada.
Seguidament, s’ha d’apagar la màquina responsable del fet i corregir l’error
manualment. Això pot comportar perdre bastant de temps i, a conseqüència, diners.
D’altra banda, en la indústria 4.0, les coses canvien. Que la producció d’una empresa
depengui d’uns robots, no és gens senzill. Per començar, hi ha una multitud de senyals
que han de rebre i donar sense marge d’error pel bon funcionament de la indústria. És
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
13
per això que han d’estar programats per rebre informació d’altres robots mitjançant un
bus, detectar la posició del seu entorn, fer una petició d'accés a una determinada àrea,
respectar el temps d'espera... La principal deferència que hi ha és que aquest tipus de
robots eviten els errors. El fet que estiguin tan ben equipats i coordinats redueix
exponencialment les probabilitats de qualsevol error en la producció. També, pot ser
que hi hagi un problema mecànic sobtat. Davant d’aquesta situació, la màquina s’aturarà
automàticament per prevenir qualsevol dany major.
La gran majoria de les indústries que fabriquen cotxes i creen estructures empren braços
robòtics. En l'automobilística és un lloc recurrent on trobem aquestes màquines. Fan la
majoria d’accions del muntatge del vehicle, des de l'acoblament fins a ajust de peces.
També poden servir per transportar materials pesats d'un lloc a un altre o col·locar-los
dins de l'estructura de l'automòbil. A més, els braços amb rotacions més perfeccionades
poden realitza treballs de pintat dels cotxes un cop acabats.
Però aquesta indústria no és l'única ja que el braç robòtic ha arribat fins a l'espai. En el
transbordador espacial es troba un Sistema de Manipulació Remota: un conjunt de
braços mecànics. Aquests permeten controlar el sistema pels humans des d'un altre punt.
Les seves funcions van des de la inspecció de satèl·lits fins a la càrrega i descàrrega de
materials.
No tots els robots són aplicats a la indústria. També existeix la robòtica social
caracteritzada pels androides. Entre la revolució que han generat aquests androides
podem destacar les pròtesis i les mans robòtiques, també anomenats braços biònics.
Solen utilitzar-se en persones que han patit malformacions de naixement o amputacions
de l'extremitat. Aquesta innovadora tecnologia els permet recuperar en gran mesura les
seves capacitats i habilitats, encara que sigui d’una forma més adaptada. A més, els seus
preus són assequibles en comparació a la funció que fan.
L'evolució de la robòtica ha permès desenvolupar braços robòtics per als robots que
s'utilitzen en la desactivació d'explosius. Per mitjà d'equips actuadors, sensors, pinces i
mans robòtiques, eviten que els humans hagin de manipular bombes o substàncies
perilloses.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
14
Un altre ús dels robots socials els trobem en els androides que s'estan instal·lant com
robots cambrers i cuiners en cafeteries i restaurants. És el cas del robot Flippy de
l'empresa ABB. Aquest robot és capaç de fer 300 hamburgueses cada hora i té un preu
de 60.000 euros. Després d’una any en
proves, ha sortit al mercat. Empreses
americanes com CaliBurger han invertit
milions de dòlars en més de 50 robots
Flippy per els seus restaurants més grans.
Fig.7: Robot Flippy a la cuina de CaliBurger
El braç robòtic és una innovació tecnològica que està present en multitud d'indústries en
l'actualitat. Com que es dissenyen per tal que realitzin varis tipus de treball en una
empresa, el seu ús augmenta exponencialment. Bé siguin merament de càrrega
d'objectes pesats o tasques de precisió. Aquesta eina és una forma de millorar
l'eficiència de la feina a les fàbriques.
FANUC Corporation és la segona potència mundial en producció de robots industrials
després de ABB (Asea Brown Boveri). Aquesta empresa japonesa, ha creat l’M-
2000iA/2300: el robot major capacitat de càrrega del món. Amb una capacitat de
càrrega total de 2300 kg, el M-2000iA/2300 és ideal per aplicacions de manipulació de
materials pesats que exigeixen unes articulacions més potents. De fet, aquest robot es
caracteritza per les seves articulacions que han deixat impressionat el món de la
robotització.
Gràcies a les seves propietats mecàniques, és aplicable a la majoria d’indústries. Permet
transportar càrregues que només es podrien moure amb grues. No obstant, aquest robot
japonès desenvolupa tot tipus de manipulacions, redueix costos, evita errors de
manipulació i incrementa la velocitat respecte una grua convencional. Per fer-nos una
idea, és capaç d'elevar i posicionar amb total facilitat un cotxe ple.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
15
3.4 TIPUS DE BRAÇOS ROBÒTICS
3.4.1 ROBOT CARTESIÀ
El robot cartesià és un robot industrial que es caracteritza pels seus eixos que
coincideixen amb els tres eixos cartesians. Aquests formen angles rectes i no roten. El
fet que els seus eixos siguin lineals, facilita la configuració mecànica i simplifica les
equacions en el control del braç robòtic.
Una aplicació molt estesa per a aquest tipus de robots és pel control numèric per
computador (CNC). És considerat qualsevol màquina que dirigeix el posicionament
d’un mòbil mitjançant ordres elaborades de forma totalment automàtica a partir
d'informacions numèriques. Les més comunes són la soldadura, el tornejat i el fresat. El
CNC es basa en el control dels moviments de l'eina de treball amb els eixos de
coordenades, usant un programa informàtic executat per un ordinador.
No fa falta moure’ns al món industrial per
trobar robots cartesians. Per exemple, les
impressores 3D funcionen amb aquest mètode.
Altres aplicacions més senzilles són les usades
en les màquines de dibuix, on una ploma es
trasllada pel pla X mentre l'eina puja i baixa
sobre la superfície per crear un disseny precís.
FITXA TÈCNICA
Lloc ocupat en la
màxima extensió (mm) 7468 × 4147
Capacitat 2.3 t
Abast 3734 mm
Velocitat màxima 40 °/s
Potència consumida 8 kW
Fig.8: M-2000iA/2300 de FANUC Corporation
Fig.9: Fresadora CNC
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
16
3.4.2 ROBOT ESFÈRIC O POLAR
Els robots esfèrics formen un sistema polar de coordenades amb els seus eixos. És tot el
contrari que els robots cartesians. Enlloc que fer moviments lineals, els fan rotacionals.
Estan formats principalment d’un eix que es mou de dalt a baix i de dreta a esquerra
formant cercles.
El primer robot de la història instal·lat en una fabrica de cotxes era un robot esfèric. Es
deia Unimate i va ser desenvolupat per l’empresa Unimation en el 1959. Dos anys més
tard, es va posar en prova a General Motors; l’empresa automobilística més important
en aquella època. Aquest realitzava treballs de soldadura, fosa i manipulació de
màquines i eines. Sens dubte, l’Unimate és part de la història de l'evolució de la
robòtica.
Aquest robot va permetre que a la fàbrica haguessin menys accidents laborals al fer-se
càrrec de treballs que tenen un alt nivell de perill. Tasques com la fosa, que es realitzava
a altes temperatures, les feia aquest mateix robot. Això permetia que els treballadors
poguessin realitzar altres funcions més mecàniques i acabar el treball amb major
rapidesa i eficàcia.
Fig.10: Robot UNIMATE traient una peça d’un forn
3.4.3 ROBOT ARTICULAT
El robot articulat té, com a mínim tres articulacions que giren sobre si mateixes. És el
més utilitzat en el món de la indústria pel gran ventall de tasques que pot realitzar i per
la seva complexitat. Es caracteritzen per treballar sense fatiga en diferents postures i
angles independentment de la càrrega que suportin.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
17
La seva flexibilitat en termes de rotació permet que pugui realitzar des de soldadures
fins a pintar amb esprai. S'empra, amb freqüència, en la indústria automobilística. Les
seves funcions, com s’han esmentat en l’apartat anterior, poden variar encara que se
solen destinar a les de major precisió donada la seva capacitat de gir. A més són ideals
per empreses de construcció. La seva versatilitat permet que es pugui allargar el braç a
més de 50 metres d’altura. Són més segurs que les bastides i no necessiten un muntatge
previ.
3.4.4 ROBOT SCARA
Un robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) és un robot de quatre
graus de llibertat de posicionament horitzontal. L'estructura de SCARA consta de dos
braços units a la base connectats a dos motors independents. Els motors estan aparellats
a dos altres braços units a una pinça. Aquests robots de dues articulacions rotatòries
paral·leles, li permeten fer treballs de pick and place, que significa agafar i deixar. La
principal funció d'aquest tipus de braç robòtic és recollir objectes d’un lloc i deixar-los
en un altre.
Poden recollir tot tipus de peces: de grans a petites, de pesants a lleugeres, de formes
irregulars... Tenen un camp d’aplicació més gran i una configuració única a diferència
dels robots cartesians. Això es deu principalment a que estan programats per tal que
segueixin un cicle repetitiu. Els Robots SCARA es caracteritzen per:
Repetibilitat: són els robots que tenen el millor repetiment. Això és crucial en
aplicacions de muntatge de microxips on tenen un marge d’error de
micròmetres.
Espai ocupat: normalment són més petits que els cartesians tot i tenint el mateix
abast. A vegades tenen una base i uns motors més grans degut a la càrrega que
han d’agafar.
Velocitat: el temps és crucial en la producció industrial. Com més petita és la
càrrega, més petit és el SCARA i més ràpid va sense variar de precisió. De fet,
els SCARA són els robots més ràpids del mercat.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
18
Fig.11: Robot SCARA de FANUC
3.4.5 ROBOT DELTA
El robot Delta és un tipus de robot paral·lel de tres graus de llibertat conformat per dues
bases unides per tres cadenes formant paral·lelograms. La base superior es troba fixa
mentre la base inferior és mòbil i sempre està paral·lela a la base fixa. Segons l'aplicació
que se li vulgui donar, els actuadors poden ser tant rotacionals o lineals. El seu alt nivell
de rotació permet una major varietat de moviments i diversifica la seva aplicació.
S'utilitzen freqüentment per a aplicacions d'embalatge, gràcies a les altes velocitats que
aconsegueixen. També realitzen tasques de muntatge i de pick and place, així com els
SACRA. No obstant, aquests solen ser més petits, més simples i, a conseqüència, més
econòmics. Suporten una càrrega inferior però són més ràpids. Els robots Delta
industrials incorporen un xip de calibratge automàtic que fixa l’actuador i l’ajusta en
qualsevol moment. La seva configuració és única ja que està pensat per fer accions
repetitives.
Fig.12: Robot Delta de Mitsubishi Electric
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
19
4. CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
PROGRAMAT AMB ARDUINO
4.1 MEMÒRIA DESCRIPTIVA
Tal i com s’ha vist en l’apartat anterior, el robots són indispensables actualment. N’hi
ha que suporten i transporten grans càrregues i d’altres que manipulen objectes de
dimensions mil·limètriques. Els robots no es troben només a les indústries. Diàriament
interactuem amb ells sense adonar-nos-en com per exemple els robots aspiradors que
ens faciliten la feina rutinària de la llar. Així doncs, podem concloure que gran part de
les facilitats que tenim depenen directament dels robots i, en general, de la intel·ligència
artificial.
Davant d’aquesta situació, he decidit que la part pràctica d’aquest treball de recerca
sigui la construcció d’un braç robòtic. Evidentment, serà d’unes dimensions menors
però amb un funcionament semblant a un braç robòtic articulat industrial. El seu
objectiu principal és transportar objectes d’una certa càrrega d’un lloc a un altre. Estarà
constituït per dos braços i unes pinces de fusta. Sota el braç hi haurà una caixa, també
de fusta, on s’hi guardarà la placa Arduino, la placa de proves (o protoboard), la placa
de control del motor pas a pas i la bateria exterior. Per tal que girin cada un dels braços i
les pinces, estaran connectats amb un servomotor cada un i un motor pas a pas a la base
per tal de que pugui girar lliurament tot el braç robòtic. Tots aquests components
electrònics són indispensables pel bon funcionament del conjunt.
El seu principi de funcionament és el següent: els tres servomotors i el motor de pas a
pas estaran governats per dos joysticks. Cada joystick controlarà dos motors amb cada
un dels seus eixos. A la part frontal, hi haurà una pantalla LCD on s’hi podrà projectar
el que es vulgui. Els servos, el motor pas a pas i la pantalla LCD estaran programats
amb Arduino i el braç estarà modelat amb un programa de dibuix anomenat
SolidWorks.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
20
Fig.13: Representació gràfica dissenyada amb SolidWorks del braç robòtic
4.2 COMPONENTS ELECTRÒNICS
PLACA ARDUINO UNO
La placa Arduino UNO és l’integrant principal de tot el circuit. És un ordinador el qual
llegeix informació de diferents sensors per controlar llums, motors, pantalles i altres
components. La gran majoria dels sistemes que ens envolten són ordinadors de mides
diferents. Els ordinadors no necessiten tenir teclat, ratolí ni pantalla. L’únic factor que
exigeixen és un microprocessador amb un circuit integrat capaç de rebre i donar ordres
conforma la seva programació. També ha de ser capaç de connectar-se amb altres
dispositius per intercanviar informació.
La placa té diversos pins que estan numerats i agrupats segons la funcionalitat. Hi ha 14
pins digitals (numerats del 0 al 13) i 6 pins analògics (numerats de l'A0 a l'A5)
Fig.14: Parts d’una placa ARDUINO UNO
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
21
La placa, a diferència de l'ordinador que es fa servir normalment, no té pantalla ni teclat.
Es necessita un programa extern, executat en un altre ordinador, per poder escriure i
enviar programes a la placa. Aquest programa s’anomena IDE: "Integrated
Development Environment" (Entorn de Desenvolupament Integrat). Aquest programa
s’estructura en dos blocs:
Setup (): Aquesta part del programa només s'executa al principi. Aquí es podrà
configurar, entre altres coses, les funcionalitats dels pins, ja siguin entrades
(inputs) o sortides (outputs).
Loop (): Aquesta part funciona repetitivament (o fins que es desconnecti la font
d'alimentació). Els comandaments en la funció loop s'executen en l’ordre que
estan escrits en el programa. Quan arriba al final del programa comença de nou,
des del principi.
Per enviar i executar un programa de l’ordinador a la placa, s’han de seguir els següents
passos:
Primerament, s’escriu el programa a l'IDE complint l’estructuració anterior.
Segonament, es verifica. Quan es compila o es descarrega un programa, es rep
informació sobre qualsevol error. Si el programa es descarrega sense errors,
s’executarà a la placa. En el cas contrari, si hi ha qualsevol error, l’IDE no et
deixa executar el programa i t’informa de l’error. Té una barra d’eines que
permet guardar el programa al disc dur de l’ordinador, verificar-lo, carregar-lo a
la placa...
Finalment, es puja el programa des de l’ordinador a la placa mitjançant un cable
USB com qualsevol altre perifèric (la impressora, el teclat, el comandament d'un
videojoc...) per poder carregar un programa. El cable USB també serveix per
subministrar energia a la placa, tot i que també es pot alimentar per mitjà d'una
font d'energia externa, com una bateria. El programa s’executa quan arriba a la
placa.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
22
PLACA D’EXPANSIÓ
La placa d’expansió va acoblada amb la placa Arduino. Té una gran funcionalitat ja que
permet crear els primers circuits certament sofisticats. Inclou una petita protoboard que
ve ajustada amb la placa d’extensió. A més, ofereix cinc pins de més, a diferència de la
placa d’Arduino, tant de voltatge (5V) com de terra (GND).
Fig.15: Placa d’expansió o ProtoShield
PROTOBOARD
Una protoboard o breadboard és una placa de circuit que s’utilitza per fer circuits
temporals. És un dispositiu important d’electrònica freqüentment emprat en circuits de
prova. Permet connectar i desconnectar tots els components electrònics que es vulgui
sense haver de soldar-ne cap. L’ús de la breadboard és la forma de prova més eficient i
rendible. Així es poden corregir errors i estalviar diners fent múltiples circuits en una
mateixa protoboard.
A les bandes de la breadboard, hi ha dues columnes que es connecten amb els pins
positiu i negatiu. La que he utilitzat en aquest projecte té un total de 830 punts de
connexió. Suporta un voltatge màxim de 36 V i una intensitat màxima de 2 A. El
material utilitzat per cobrir la part exterior és l’ABS: un derivat del plàstic molt resistent
i aïllant elèctric utilitzat en l’automoció.
Fig.16: Protoboard o breadboard
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
23
FONT D’ALIMENTACIÓ DE LA PROTOBOARD
La font d’alimentació de la protoboard és un component electrònic que serveix per
aportar energia elèctrica al circuit. Va connectada a la breadboard mitjançant 8 pins.
Aporta al circuit un voltatge màxim de 9V i una intensitat de 700 mA. Té dues entrades
que funcionen de forma independent. La primera és una entrada per un cable
convencional per connectar-la amb una pila. La segona és un cable USB que s’ha de
endollar a un dispositiu extern de suplementació elèctrica.
Fig.17: Font d’alimentació de la protoboard
LCD
La pantalla de cristall líquid o LCD (Liquid Crystal Display) és l'aplicació més comuna
de la tecnologia del cristall líquid. Des de rellotges digitals fins a avançades pantalles de
televisió, aquest tipus de tecnologia ha intervingut molt activament els darrers anys,
obtenint així productes de gran qualitat i definició. La pantalla cristall líquid consisteix
en una agrupació de petits segments, anomenats píxels, que poden ser manipulats per
presentar informació.
El model que he utilitzat jo és la LCD 1602A. El seu nom es deu a que té 16 pins de
connexió i dígits a la pantalla i 2 files. A l’hora de connectar-la a la placa, se l’hi ha de
posar un potenciòmetre (de 10kΩ, en el meu cas), per controlar la lluminositat de la
pantalla. És un exemplar molt utilitzat en projectes d’Arduino per la seva mida i
resolució.
Fig.18: LCD1602A
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
24
MOTOR PAS A PAS I EL SEU CONTROLADOR
Un motor pas a pas és un dispositiu electromecànic que converteix una sèrie d'impulsos
elèctrics en desplaçaments angulars molt petits i de forma precisa. A diferencia dels
motors tradicionals, divideix una rotació sencera en un gran nombre de passos. Els
motors pas a pas controlats per ordinadors com les plaques d’Arduino amb l’ajut del
controlador, són una de les formes més versàtils dels sistemes de posicionament. Poden
girar en sentit horari i antihorari. A més, es pot controlar la velocitat de gir, de 5 fins a
500 rpm.
Aquest motor presenta els avantatges de precisió,
baix cost, control de la velocitat i la doble polaritat.
Entre les seves principals aplicacions destaquen les
impressores digitals, fotocomponedores, escàners i
traçadors, entre molts altres mecanismes.
Fig.19: Motor pas a pas 28BYJ-48 i controlador ULN2003
El model que he utilitzat és el 28BYJ-48: un motor petit adequat per diverses
aplicacions. El seu controlador compatible és l’ULN2003. Serveix, principalment per
connectar el motor amb el microprocessador. Té quatre entrades de connexió. La
primera és per el microprocessador, la segona és per la font d'alimentació, el tercer
indica l’estat del conjunt (encès / apagat) i l’últim genera una connexió directa del
motor amb el controlador. A la part superior hi ha quatre LEDs que indiquen l'estat de
cada una de les connexions. Si el LEDs estan encesos significa que tot funciona
correctament. En canvi, si fan pampallugues vol dir que estan desconnectats o bé que hi
ha algun problema de connexió.
SERVOMOTOR
Un servomotor (també anomenat servo) és un dispositiu similar a un motor de corrent
continu que té la capacitat de situar-se en qualsevol posició dins del seu rang d'operació
i mantenir-s’hi. Està conformat per un motor i un circuit de control que regula tant en
velocitat com en posició. Gràcies al circuit de control, té un consum d'energia reduït.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
25
En altres paraules, un servomotor és un motor especial a què s'ha afegit un sistema de
control (targeta electrònica), un potenciòmetre i un conjunt d'engranatges per tenir un
control total de la seva posició i velocitat en els 360 graus. Els servomotors industrials
són usats en modelisme com avions, vaixells, helicòpters i trens per controlar de manera
eficaç els sistemes motors i de direcció.
Els servos se solen considerar una versió d'alt rendiment d'un motor pas a pas. Els
motors pas a pas permeten un cert control de la posició sense l’ús d’un codificador
rotatiu: dispositiu electromecànic usat per convertir la posició angular d'un eix a un codi
digital. No el tenen incorporat ja que tenen una sèrie de passos integrats. Si se superés la
capacitat de passos del motor, podria haver-hi errors de posició, amb la necessitat de
reiniciar el sistema. El codificador rotatiu i controlador d'un servomotor afegeixen unes
prestacions optimitzades per a tot el sistema, per a totes les velocitats i precisió.
Per construir el meu braç robòtic he utilitzat dos tipus de servos diferents:
SG90S MG90S
VELOCITAT 0,12 s/60º 0,1 s/60º
VOLTATGE 5 – 6 V 5 – 6 V
MOMENT DE GIR 1,5 kg/cm 2,2 kg/cm
PES 9 g 13,4 g
JOYSTICK
El joystick és un component electrònic molt utilitzat en projectes d’Arduino.
Proporcionen un senyal analògic per a la posició de cada un dels dos eixos que disposa,
més un senyal digital per a la detecció de la pulsació del comandament. Al disposar de
l'entrada en els eixos X i Y en forma analògica, es poden programar controls molt més
precisos que els que podríem aconseguir amb un control digital.
Aquest tipus de joystick són dispositius senzills, còmodes d'utilitzar, permeten fer
moviments suaus i ens permeten afegir més control als nostres projectes. Podem
utilitzar-lo per controlar fins a dos motors. Per exemple, podem augmentar la velocitat
de moviment d'un braç robòtic com més gran sigui el valor del mesurament, o fer que
un vehicle giri més o menys ràpid.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
26
4.3 MATERIALS I EINES EMPRATS
Per construir el braç robòtic, es necessitaran diferents materials i eines. Alguns materials
els he hagut de comprar. D’altres, en canvi, com les peces de fusta, les he dissenyant i
tallat personalment. En la següent taula s’explica, de forma detallada, els diferents
materials que es necessitaran per dur a terme aquest projecte. A l’annex hi he adjuntat
totes les peces acotades que apareixen a la taula.
La resta de components que constitueixen el robot, els he comprat. Al principi, vaig
comprar un kit d’iniciació bàsic d’Arduino que incloïa varies peces. No les he fet servir
totes ja que no encaixaven amb el meu projecte. Són exemple els sensors ultrasònic, de
temperatura, humitat, lluminositat, díodes, transistors... Tot el conjunt em va costar un
total de 32,99 €. Més tard, vaig comprar altres components necessaris que no estaven
inclosos en el kit. En la següent taula, es detallen cada un dels components que vaig
comprar amb el cost que em van suposar.
MATERIAL FABRICAT QUANTITAT
Pinça 2
Suport superior pinces 1
Suport inferior pinces 1
Braç superior 2
Braç inferior 2
Eix dels braços 2
Eix de les pinces 2
Peça 1 2
Peça 2 1
Peça 3 2
Peça 4 1
Peça 5 1
Peça 6 1
Peça 7 1
Peça 8 1
Peça 9 1
Base 1
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
27
MATERIAL COMPRAT QUANTITAT PREU UNITARI PREU TOTAL
Placa Arduino UNO 1 6,00 € 6,00 €
Placa d’expansió 1 2,96 € 2,96 €
Protoboard 1 2,19 € 2,19 €
Font d’alimentació de la protoboard 1 0,65 € 0,65 €
LCD 1 2,11 € 2,11 €
Motor pas a pas 1 1,86 € 1,86 €
Controlador del motor pas a pas 1 0,67 € 0,67 €
Servo SG90S 2 1,02 € 2,04 €
Servo MG90S 1 1,69 € 1,69 €
Joystick 2 1,26 € 2,52 €
Engranatge motriu 3 0,03 € 0,09 €
Engranatge conduït 4 0,03 € 0,12 €
Cables de prototipatge 30 0,02 € 0,60 €
Pila 9V 1 1,00 € 1,00 €
Potenciòmetre (10kΩ) 1 0,39 € 0,39 €
Resistència (10kΩ) 1 0,17 € 0,17 €
Frontissa 2 0,10 € 0,20 €
TOTAL: 25,26 €
El pressupost total del braç robòtic és de 25,26 €: un preu considerable tenint en compte
la quantitat d’elements electrònics que s’han fet servir. Un altre material indispensable
per la unió de les peces de fusta és la cola líquida. També he utilitzat un esprai de color
gris per pintar les fustes i donar-les-hi un toc metàl·lic. A la següent taula hi apareixen
les eines que he utilitzat:
EINA FUNCIÓ
Serra elèctrica Tallar les peces de fusta
Trepant Foradar les peces de fusta per on passaran els eixos
Llima Llimar les fustes
Serjant Aguantar les fustes paral·leles per llimar-les
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
28
4.4 PROCEDIMENT DE MUNTATGE
En aquest apartat redactaré tots el passos a seguir per construir el braç robòtic. Per evitar
qualsevol error de precisió, he modelitzat un prototip amb el programa de dibuix
SolidWorks abans de construir-lo. Així doncs, m’he assegurat que totes les peces tenen
la mesura indicada i que no em sorgirà cap problema en el procediment de muntatge. He
seguit els següents passos:
1) El primer pas és marcar en una fusta les diverses peces de conformen el braç
robòtic. Les mesures són fidels als plànols adjuntats a l’annex. Després, amb una
serra elèctrica es tallen les peces i amb una llima es corregeixen les
imperfeccions del tall.
Fig.20 i 21: Peces de fusta
2) Segonament, es pinten les peces de fusta de color gris metàl·lic amb una finalitat
estètica.
Fig.22: Peces de fusta pintades
3) Es construeix primer la base. La base conté el circuit electrònic i manté el braç
robòtic a una certa altura. Per tal de tenir accés al circuit elèctric en cas que hi
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
29
hagi algun problema, s’enganxa la tapa de darrere amb dues frontisses. Així, es
pot accedir al circuit amb facilitat. La base, a diferència de la resta del robot, se
li aplica una capa de vernís.
Fig.23: Base del braç robòtic
4) Llavors s’instal·la la part elèctrica en la base.
S’empega el motor pas a pas a la part
superior de manera que el seu eix de gir
surti per un forat que ja s’havia
deixat. A la part frontal es posa la
pantalla LCD i, a l’altre banda, els
dos joysticks que governen el robot.
També es fa sortir un cable USB que té la
funció d’alimentar el circuit elèctric.
5) Posteriorment, es construeixen les pinces. Per
començar, s’enganxa un engranatge a cada pinça
de manera que hi pugui passar un eix. Es col·loca
el suport inferior de les pinces per sota per tal que
els engranatges encaixin.
Després es posa el suport superior de les pinces
per sobre i s’encolen els dos eixos de les dues
pinces amb els suports superior i inferior.
Fig.24: Base del braç robòtic
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
30
S’acobla un servomotor per sobre les pinces,
l’engranatge del qual engrana amb els
engranatges conduïts. En aquest cas, el sistema
d’engranatges fa un efecte reductor. Es minimitza
la velocitat i es millora el control de les pinces.
6) D’altra banda, s’encolen el braç superior, el braç inferior i el suport dels braços.
Fig.28: Braç superior, el braç inferior i el suport dels braços
7) Seguidament, s’enganxa el braç superior amb les pinces i el braç inferior amb el
suport del braç robòtic.
Fig.29: Braç inferior amb el suport dels braços Fig.30: Braç superior amb les pinces
8) A continuació, s’encola un servomotor al suport dels braços. En l’eix que uneix
el suport amb el braç hi ha un engranatge conduït que engrana amb el del
servomotor. Així com a les pinces, hi ha un efecte reductor.
Fig.25, 26 i 27: Pinces del braç robòtic
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
31
Fig.31: Motor del braç inferior
9) Finalment, s’ha de connectar el braç superior i inferior amb l’últim servomotor.
Tal i com es veu en la imatge, el servo s’enganxa al braç inferior i el seu
engranatge controla la inclinació del braç superior.
Fig.32: Motor del braç superior
10) Per acabar, s’insereix el robot sobre l’eix de gir del motor pas a pas. D’aquesta
manera, es finalitza el procediment de muntatge. Es fa els últims retocs estètics i
del codi del programa i ens queda el següent resultat:
Fig.33: Braç robòtic
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
32
4.5 FUNCIONAMENT DEL BRAÇ ROBÒTIC
Un cop acabat el disseny i la construcció del robot, prosseguiré a explicar el seu
funcionament. Com ja he mencionat en apartats anteriors, està format per tres
servomotors i un motor pas a pas governats per dos joysticks. Mitjançant el codi del
programa amb el que funciona i els components electrònics detallaré la funció de cada
una de les parts del braç robòtic. Bàsicament, ho desglossaré en blocs representats en les
següents figures:
Fig.34: Representació esquemàtica del braç robòtic
Fig.35: Representació esquemàtica dels joysticks
5
3
4
2
1
JOYSTICK – 1 JOYSTICK – 2
EIX - Y EIX - Y
EIX - X EIX - X
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
33
1) MOTOR PAS A PAS
El motor pas a pas està connectat al joystick – 1 a l’eix – X. La seva funció principal és
controlar la rotació total del robot. És el que permet girar tan a la dreta com a l’esquerra
per tal d’ampliar l’abast del braç robòtic. El seu funcionament bé determinat pel codi
del programa explicat a continuació.
Primerament, cal concretar que el
joystick capta informació en un
interval de [0,1023]. D’altra
banda, la velocitat del motor va
de 5 a 500 rpm (revolucions per
minut). Si es fa moure el joystick
al màxim en ambdues direccions,
el motor es mourà en velocitat
màxima (500 rpm).
El codi està separat en 3 intervals:
El primer va entre 500 i 523:
en aquest interval el joystick
es troba en la posició de repòs
i el motor pas a pas no es
mou; totes les sortides són
baixes (LOW).
El segon interval és quan el
valor digital és superior o igual
a 523. Si es mou el joystick en
sentit positiu, el robot rotarà a la dreta.
L'últim interval és quan el valor digital és inferior o igual a 500, on el motor es mou
en direcció contrària. Si es mou en sentit negatiu de l’eix - X, el motor girarà a
l’esquerra.
Fig.36: Codi del motor pas a pas
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
34
2) SERVOMOTOR MG90S DEL BRAÇ INFERIOR
El servomotor MG90S està connectat al joystick – 2 a l’eix – Y. S’encarrega de canviar
d’altura del robot. De fet, quan rota l’MG90S ho fa també la resta del robot. A
diferència del motor pas a pas, el codi dels servomotors és molt més senzill.
Cada servo va determinat per un
numero (1, 2, 3) i se’l relaciona amb
un eix dels joysticks (X, Y2 i Y).
Així com el motor a passos té un
interval de velocitats, els intervals
del servo indiquen un recorregut de
0 a 360. És important no confondre-
ho amb els graus de rotació.
Normalment, els servos van de 0° a
180°
C cc ccc cc c m mmm ccc c cc
mmmmmmmmmmmmmmmmmFig.37: Codi dels servomotors
Tal i com es veu en el primer cas, el servo 1 està governat pel joystick 2 en l’eix – Y,
anomenat joyY. Els primers dos valors del parèntesis marquen l’interval d’informació
que capta el joystick. En aquest cas és màxim [0, 1023]. El tercer i quart valor expressen
l’interval de moviment del servo. En aquest cas, no m’interessava que sigui màxim ja
que tocava amb la pantalla LCD. Per tan, l’interval de gir és de [0, 300] enlloc de [0,
360].
Fig.38: Representació del gir del servomotor MG90S
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
35
3) SERVOMOTOR SG90S DEL BRAÇ SUPERIOR
El servomotor SG90S del braç superior està
connectat al joystick – 2 a l’eix – X.
S’encarrega de canviar d’altura i incrementar
l’abast del robot. El seu funcionament és igual
al del l’MG90S. Quan es mou el joystick a la
dreta, el braç puja. De la mateixa manera, quan
es mou a l’esquerra, baixa.
Fig.39: Representació del gir del braç superior
4) SERVOMOTOR SG90S DE LES PINCES
El servomotor SG90S de les pinces és governat pel
joystick – 1 a l’eix – Y. Té com a objectiu obrir i
tancar les pinces per tal d’agafar objectes. Quan es
mou el joystick a dalt, les pinces s’obren. En canvi,
quan es mou a l’esquerra, les pinces es tanquen.
Fig.40: Representació del gir de les pinces
5) LCD
La pantalla LCD funciona independent del moviment del braç robòtic. S’hi pot escriure
el que es vulgui. No obstant, molts caràcters i lletres com ara la [Ç] no els pot
interpretar. Està connectada a 16 pins que regulen la velocitat de moviment de les lletres
i la seva il·luminació. En el meu cas he escrit el que es mostra en la figura 39 que es va
movent a la l’esquerra amb un temps d’un segon entre lletra i lletra,
Fig.41: LCD
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
36
5. CONCLUSIONS
Un cop finalitzat el treball de recerca, puc extreure les següents conclusions responent a
les preguntes formulades a la introducció.
Les revolucions industrials dels últims segles han suposat un gran avanç en el
món tecnològic. S’ha passat de la màquina de vapor i l'èxode rural per la mà
d'obra a l’automatització i robotització basada en el Big Data i el Cloud
Computing. En menys de 250 anys el camp industrial ha experimentat un
progrés molt important.
Respecte la pregunta de quins eren els braços industrials més utilitzats, no es pot
concretar un únic tipus de classe. És veritat que el robot articulat és el més comú
pel gran ventall de tasques que pot realitzar i per la seva complexitat. No obstant
això, existeix el robot adequat per cada tasca diferent que es vulgui fer.
Actualment ens trobem a l’inici d’una quarta revolució enfocada a la següent
dècada. Aquesta nova concepció d’indústria prioritza l’acumulació de grans
quantitats de dades i fomenta la interconnexió massiva de sistemes digitals.
En la part pràctica, he aconseguit dissenyar i construir un braç robòtic articulat. Dirigit
per dos joysticks, té un motor pas a pas i tres servomotors que li permeten canviar
d’altura, abast i angle de rotació. A més li he volgut aportar un toc de personalitat
afegint-li una LCD (Liquid Crystal Display) a la part frontal. Cal comentar, també, que
la realització d’aquest treball m’ha ajudat a entendre el funcionament dels conceptes de
software i hardware d’Arduino i com es fa la seva intercomunicació.
Realment ha sigut tot un repte la manufactura del robot. Des del primer disseny en 3D a
la última línia de codi, des de la primera peça de fusta tallada a la última enganxada, he
hagut d’afrontar múltiples problemes que han dificultat la realització del treball de
recerca. No obstant això, he pogut superar tots els contratemps que s’han interposat al
llarg del treball i he acabat construint el braç robòtic que tenia plantejat inicialment.
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
37
6. BIBLIOGRAFIA
FONTS FOTOGRÀFIQUES:
FIG-1: PINTEREST, Hector Cortina Diaz [en línia]
https://www.pinterest.es/pin/621285711064480602/ [consulta: 14/07/2020]
FIG-2: QALovers, La teoría del taylorismo [en línia]
https://www.qalovers.com/2017/02/taylorismo.html [consulta 14/07/2020]
FIG-3: ALDAKIN, Automatización industrial y robótica [en línia]
http://www.aldakin.com/automatizacion-industrial-robotica-claves-exito/
[consulta: 16/07/2020]
FIG-4: AUTOMÁTICA E INSTRUMENTACIÓN, Industria 4.0 [en línia]
http://www.automaticaeinstrumentacion.com/es/notices/2019/09/
[consulta: 19/07/2020]
FIG-5: RODRÍGUEZ, Juan Manuel. INFORMÁTICA RESPONSABLE, Algunas
notas sobre Cloud Computing, [en línia]
https://mrinformatica.es/algunas-notas-sobre-cloud-computing/ [consulta: 29/07/2020]
FIG-6: KUKA, KUKA. EqualizingTech [en línia]
https://www.kuka.com/en-de/products/robot-systems/software/application-
software/kuka-equalizingtech [consulta: 05/08/2020]
FIG-7: CIBORG, Robot Flippy de Caliburguer [en línia]
https://www.ciborg.info/robot-cocinero-flippy-caliburguer/ [consulta: 07/08/2020]
FIG-8: FANUC, M-2000iA/2300 [en línia]
https://www.fanuc.eu/es/es/robots/p%c3%a1gina-filtro-robots/serie-m-2000/m-2000ia-
2300 [consulta: 10/08/2020]
FIG-9: 127VOTZ, CNC Router Kit C-Beam X Large CNC [en línia]
https://127voltz.com/product/c-beamxlargecnc/ [consulta: 1/05/2019]
FIG-10: PEARCE, Jeremy. THE NEW YORK TIMES, George C. Devol, Inventor of
Robot Arm, Dies at 99 [en línia]
https://www.nytimes.com/2011/08/16/business/george-devol-developer-of-robot-arm-
dies-at-99.html [consulta: 13/08/2020]
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
38
FIG-11: FANUC, Robots SCARA [en línia]
https://www.fanuc.eu/es/es/robots/p%C3%A1gina-filtro-robots/scara-series [consulta:
17/08/2020]
FIG-12: FACTORÍA DEL FUTURO, Mitsubishi Electric presenta la nueva gama de
robots DELTA [en línia]
https://www.factoriadelfuturo.com/mitsubishi-electric-presenta-la-nueva-gama-de-
robots-delta/ [consulta: 23/08/2020]
FIG-13: Font pròpia
FIG-14 a la FIG-19: ELEGOO THE SUPER STARTER KIT FOR UNO
V2.0.2020.5.6, Datasheet [en línea]
http://204.130.155.52/physics/isr/elegoo/Elegoo%20The%20Super%20Starter%20Kit%
20for%20UNO%20%20V2.0.2020.5.6/ [consulta: 30/09/2020]
FIG-20 a la FIG-41: Font pròpia
WEBS DE CONSULTA:
WIKIPEDIA, Revoluciones industriales [en línia]
https://es.wikipedia.org/wiki/Revoluciones_industriales [consulta: 13/07/2020]
WIKIPEDIA, Segona revolució industrial [en línia]
https://ca.wikipedia.org/wiki/Segona_revoluci%C3%B3_industrial
[consulta: 13/07/2020]
WIKIPEDIA, Industria 4.0 [en línia]
https://es.wikipedia.org/wiki/Industria_4.0 [consulta: 21/07/2020]
WIKIPEDIA, Inteligencia artificial [en línia]
https://es.wikipedia.org/wiki/Inteligencia_artificial [consulta: 23/07/2020]
EDITORES, LEMPEL, Ariel. Los robots en la Industria 4.0 [en línia]
https://www.editores-srl.com.ar/revistas/aa/9/lempel_robots [consulta: 23/07/2020]
ADVANCED FACTORIES, El papel del IoT en la industria 4.0 [en línia]
https://www.advancedfactories.com/iot-en-la-industria-4-0/ [consulta: 27/07/2020]
WIKIPEDIA, Internet de les coses [en línia]
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
39
https://ca.wikipedia.org/wiki/Internet_de_les_coses [consulta: 30/07/2020]
CLAVEI, GOMIS, Hector. Industria 4.0, la cuarta revolución industrial y el big data
[en línia]
https://www.clavei.es/blog/industria-4-0-la-cuarta-revolucion-industrial-big-data/
[consulta: 3/08/2020]
SIGNALS IoT, Integración de sistemas en la Industria 4.0 [en línia]
https://signalsiot.com/integracion-de-sistemas-en-la-industria-4-0/ [consulta: 7/08/2020]
WIKIPEDIA, Informàtica en núvol [en línia]
https://ca.wikipedia.org/wiki/Inform%C3%A0tica_en_n%C3%BAvol
[consulta:13/08/2020]
WIKIPEDIA, Realidad aumentada [en línia]
https://es.wikipedia.org/wiki/Realidad_aumentada [consulta: 14/08/2020]
REVISTA DE ROBOTS, ¿Qué es un brazo robótico industrial? [en línia]
https://revistaderobots.com/robots-y-robotica/brazo-robotico-mecanico-industrial/
[consulta: 17/08/2020]
ESNECA, Qué es el brazo robótico y en qué industrias se emplea [en línia]
https://www.esneca.com/blog/brazo-robotico-industrias/ [consulta: 19/08/2020]
GRÚAS Y PAREJOS, Brazo Robótico Industrial [en línia]
https://www.gruasyaparejos.com/maquinaria/brazo-robotico-industrial/#brazo_robotico
[consulta: 21/08/2020]
BLOGGER, Brazos robóticos en la industria automovilística [en línia]
http://electronica-jaimes.blogspot.com/2010/06/descripcion-de-un-brazo-robotico.html
[consulta: 27/08/2020]
FANUC, M-2000iA/2300 [en línia]
https://www.fanuc.eu/es/es/robots/p%c3%a1gina-filtro-robots/serie-m-2000/m-2000ia-
2300 [consulta: 1/09/2020]
WIKIPEDIA, Robot SCARA [en línia]
https://es.wikipedia.org/wiki/Robot_SCARA [consulta: 11/09/2020]
FANUC, Robots SCARA [en línia]
DISSENY I CONSTRUCCIÓ D’UN BRAÇ ROBÒTIC
TREBALL DE RECERCA
40
https://www.fanuc.eu/es/es/robots/p%C3%A1gina-filtro-robots/scara-series/selection-
support [consulta: 14/09/2020]
VIDEOS CONSULTATS
YOUTUBE, MUY FÁCIL DE HACER, Cómo Hacer un Brazo Robótico Electrónico
Casero [en línia]
https://www.youtube.com/watch?v=uqXUjlle394&t=109s [consulta: 6/10/2020]
YOUTUBE, THE Q, How to Make Hydraulic Powered Robotic Arm from Cardboard
[en línia]
https://www.youtube.com/watch?v=P2r9U4wkjcc [consulta: 10/10/2020]
