capitulo iv resultados de la investigacÓn
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CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACÓN
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CAPÍTULO IV
RESULTADOS DE LA INVESTIGACÓN
En este capítulo se registran detalladamente cada una de las fases
realizadas en el proceso de conceptualización, funcionamiento y resultados
de la investigación relacionada con el efector final tipo pinza mecánica para
robots industriales.
1. ANALISIS DE LOS RESULTADOS FASE I. DEFINICIÓN DE LAS ESPECIFICACIONES
Para la realización de esta fase se utilizó como base el primer objetivo
específico desarrollado en el capítulo I, a saber, analizar la información
existente concerniente a efectores finales tipo pinza. Para cumplir a
cabalidad este análisis, se procedió a verificar la información recopilada de
los diferentes medios, tales como: exploración de páginas de internet,
revisión de libros y revistas e investigación de otros trabajos de grado.
Esta revisión permitió obtener información relacionada con los
diferentes mecanismos de pinza utilizados habitualmente en los efectores
finales de robots industriales. De la misma manera permitió conocer el
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sistema de impulsión utilizado para propiciar el movimiento, esto es,
servomotores DC. Adicionalmente se conoció la forma típica de los soportes
de las pinzas.
Una vez realizado este estudio documental, se procedió a definir la
característica que estos efectores finales debían poseer. Los efectores
finales tipo pinza mecánica desarrollados basan sus características de
diseño en una pinza paralela o de pivotaje, las cuales cuentan con uno (1) y
dos (2) grados de libertad respectivamente, refiriéndose así al número de
articulaciones de la estructura mecánica.
El mecanismo de la pinza de pivotaje está formado por dos (2)
servomotores, el primero de ellos posicionado para el accionamiento de la
pinza como tal, apertura y cierre de la misma, es decir, actúan para cerrar las
garras; el segundo está posicionado en la parte trasera de la pinza y actúa
como el codo para girar la pinza en el eje horizontal. Posee dos engranes,
uno conectado al primer servomotor que accionará al segundo y a su vez los
mismos accionarán las garras.
La estructura de la pinza se diseñó a través de un paquete de diseño
en 3D denominado SKETCH UP el cual permite bosquejar las diferentes
partes y realizar una animación del mismo a fin de realizar la comprobación
de los movimientos máximos y mínimos. De la misma manera este modelo
se envió a una empresa de impresión 3D a fin de obtener su fabricación.
A nivel de hardware fue necesario diseñar y fabricar una baquelita que
contenga un micro controlador PIC el cual se encargará de controlar ambos
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servo motores, así como monitorear la información relativa al sensor de
presión.
FASE II. ESQUEMA GENERAL DEL HARDWARE
Para el desarrollo de esta fase se tomaron en cuenta los objetivos
específicos referentes al diseño de las diferentes partes mecánicas que
constituyen la pinza. Para el logro de la misma, se recurrió a la investigación
en páginas de internet y libros, a partir de ese punto se procedió a desarrollar
el hardware necesario para el ensamblaje del efector final.
PC: Es una máquina electrónica la cual recibe y procesa datos para
convertirlos en información útil. Se usará para monitorear y controlar.
PIC 16F877A: Un micro controlador es un circuito integrado o chip que
incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora:
unidad central de procesamiento, memoria junto con unidades de E/S
(entrada/salida). Se requerirá como interfaz entre la PC y el sistema del
brazo robótico.
Controlador PIC: Es un dispositivo que se encarga de la comunicación entre
el PIC y la PC por medio del puerto USB. Posee una interfaz grafica utilizada
para visualizar y configurar las comunicaciones. Todos los datos de
comunicación y los eventos se registran en una ventana de transacción en
un formato legible.
Programador PIC: Como su nombre lo indica es un programador de micro
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controladores. Utilizado para la programación y depuración de micro
controladores. Cuenta con un analizador de lógica y comunicación en serie
(UART).
Sensor: Es un dispositivo que captara señales de cambios físicos en el
exterior y enviara señales al micro controlador PIC para indicar su activación.
Servomotor: Es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser
controlado, tanto en velocidad como en posición mediante lenguaje de
programación, para así mediante un micro controlador automatizar el trabajo
y conseguir resultados precisos.
En la siguiente figura se muestran las interconexiones de una manera
simple
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Esquema General del Hardware
Figura Nº 1: Esquema General del Hardware / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
FASE III. ORDINOGRAMA GENERAL
Para diseñar el software de control de las diferentes partes de la pinza
se requirió del desarrollo de un organigrama, para su creación se tomó en
cuenta ciertos requerimientos que ayudarán al correcto funcionamiento del
hardware y software. Debido al uso de micro controladores se demanda un
diagrama de flujo especificando de forma lógica las decisiones que se
realizan al momento de presenciar u obtener valores de los componentes
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externos, explicando de manera gráfica, la programación interna del micro
controlador.
Como primer requisito, se necesitan dos servomotores que se
colocarán en dos partes fundamentales de la pinza y serán controlados por
un PIC 16F877A mediante sensores de contacto o final de carrera. El mismo
PIC se encargará de enviar al PC las señales a través del controlador PIC.
La interfaz se desarrolló mediante el uso del programa PICKit Serial Analizer
basado en Visual Basic.
Etapas del Diagrama de Flujo:
a) Configuración inicial del micro controlador: etapa principal del
sistema en general, donde se declaran los registros de propósito general,
configurando los puertos de entrada y salida, módulos de comunicación,
convertidores Analógicos/digitales, timers e interrupciones.
b) Activación de los servomotores: inicializando los registros y puertos,
se abre y cierra la pinza para corroborar el correcto funcionamiento de la
misma y por tanto de los servomotores.
c) Verificación de Modo: inicialmente se encuentra en modo remoto,
pero de igual manera confirmará el modo en que el operador desea controlar
la pinza (Remoto o Manual).
d) Modo Remoto: En este modo se procede a verificar los códigos
para el movimiento de la pinza, entre los que se encuentran abrir y cerrar la
pinza, centrar, girar a la izquierda o derecha del codo. Al verificar los códigos
emitidos por el operador éste procederá a realizar la acción requerida.
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e) Modo Manual: En este modo se aguarda hasta que algún pulsador
sea presionado. Cada pulsador está asociado a una acción de la pinza, al
identificar el pulsador, el efector procederá a realizar la acción indicada.
En la Figura 2 se puede apreciar el funcionamiento del dispositivo por
medio del diagrama de flujo.
Diagrama de Flujo del Sistema
Figura N° 2: Diagrama de Flujo del Sistema / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
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FASE IV. ADAPTACIÓN ENTRE HARDWARE Y SOFTWARE
El desarrollo del dispositivo electrónico elaborado está basado en la
tecnología del micro controlador, específicamente con su componente de la
serie PIC16F877A, y el software ensamblador que se utilizó para la
programación del mismo.
La unidad de interfaz y la unidad central son aquellas que interactúan
entre el hardware y el software. De acuerdo a la interfaz, esta es la que
establece la comunicación entre el PC y el sistema de control. Está
compuesta por un micro controlador el cual comunica a una rata de bits
previamente seleccionada, proveniente del computador de mando.
En la programación del PIC dentro de los puertos disponibles que se
utilizaron para el control de la pinza se encuentran tabla 1:
Tabla Nº 1: Cuadro de puertos y códigos / Fuente: Navarrete, Ojeda,
Villalobos (2012)
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FASE V. ORDINOGRAMAS MODULARES Y CODIFICACIÓN DE
PROGRAMAS.
El desarrollo y la codificación del programa completo del efector final
tipo pinza mecánica, se encuentra entre las siguientes fases. Ver figura 3.
Figura Nº 3: Imagen de Programa 1 / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
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En esta sección del programa se declararon los puertos a utilizar para cada
una de las entradas responsables de los movimientos de la pinza. Ver figura
4.
Figura Nº 4: Imagen de Programa 2 / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
La pinza se puede controlar de dos maneras manual y remoto, que se
trabajó en esta parte del programa, inicialmente el control de esta se
encuentra en modo remoto, indicado mediante un led, el codo en posición
central y las garras abiertas. Se efectúa un sensado del modo a trabajar el
efector evaluando si cierra, abre, gira o centra. Ver Figura 5.
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Figura Nº 5: Imagen de Programa 3 / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
En esta sección el control de la pinza se encuentra en modo manual,
de manera que apaga el led indicador, y trabaja mediante los push button los
cuales son responsables de abrir, cerrar y girar.
FASE VI. IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE.
En este esquema se representan en la forma más simple el proyecto
del efector final tipo pinza mecánica, este está compuesto del computador
personal (PC) como organismo inicial ejecutor, ya que este gestiona las
operaciones realizadas por el operador o usuario en el sistema para que
envíe señales a través del puerto serial hasta el segundo organismo ejecutor
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el cual es el PIC16F877A. El mismo se encarga de desglosar la palabra de
control la que a su vez al estar seleccionada representa los parámetros de
movimientos para los servomotores, al ser seleccionados se envían los datos
al controlador PIC. Ver figura 6.
Figura Nº 6: Imagen de las piezas unidas desarrolladas en Sketchup / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
A- Garras
Son las piezas encargadas de sujetar los objetos, poseen dos
columnas que a su vez tienen dos agarraderas por medio de las cuales son
sujetadas y conectadas al esqueleto medio. Ver figura 7.
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Figura Nº 7: Imagen de las garras en Sketchup / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
B- Esqueleto medio
Es el cuerpo completo de la pinza, se encarga de alojar todas las
piezas necesarias para el funcionamiento de la misma. Sujeta toda la pieza y
la circuitería. En él se coloca el servomotor de las garras, los engranes,
sujetadores y retenedores. Posee un acople para los otros dos esqueletos y
el codo. Ver figura 8.
Figura Nº 8: Imagen del esqueleto medio en Sketchup / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
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C- Esqueletos Superior e Inferior
Son piezas que se encargan de sostener por las partes superior e
inferior el esqueleto medio. Le suministran estabilidad mecánica al efector, en
ellos van los logos. Poseen un diseño agradable y estéticamente atractivo.
Ver figura 9.
Figura Nº 9: Imagen de los esqueletos superior e inferior en Sketchup / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
D- Sujetadores
Como su nombre lo indica, están encargados de sujetar las garras
para la apertura y cierre correcto de las mismas. Poseen las mismas medidas
entre si y se encuentran de forma paralela entre ellos al sujetarse con el
esqueleto medio, para de esta forma la apertura de la pinza sea correcta.
Son 6 en total. Ver figura 10.
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Figura Nº 10: Imagen de los sujetadores en Sketchup / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
E- Engranes
Son primordiales para el movimiento de la pinza. El engrane izquierdo
posee la conexión con el servomotor, el derecho, se mueve a partir del
movimiento del izquierdo. El engrane derecho se coloca en un eje que posee
el esqueleto medio. Están alineados entre sí y actúan como los otros dos
sujetadores necesarios para el movimiento de la pinza. Ver figura 11.
Figura Nº 11: Imagen de los engranes en Sketchup / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
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F- Retenedores
Son un conjunto piezas simples encargadas de dar altura, estabilidad
y sostener partes del esqueleto medio con los esqueletos superior e inferior.
Ver figura 12.
Figura Nº 12: Imagen de los retenedores singulares y duales en Sketchup /
Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
G- Codo
Encargado de la estabilidad y sostén entre los esqueletos inferior,
medio y superior. En éste se conecta el segundo servomotor encargado de
darle movimiento horizontal a la pieza. Ver figura 13.
Figura Nº 13: Imagen del codo en Sketchup / Fuente: Navarrete, Ojeda,
Villalobos (2012)
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H- Sostén de servo
Pieza encargada de sostener el servomotor del codo. Posee cuatro
pequeñas bases para la conexión a una base mayor y de esta manera elevar
la pinza para su correcto funcionamiento. Ver figura 14.
Figura Nº 14: Imagen del sostén del servomotor de codo en Sketchup /
Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
I- Logos
Los logos creados tienen la imagen de URBE, son diseñados de esta
manera en honor a la institución educativa a la que se pertenece. Los
espacios en los esqueletos permiten colocar otros tipos de logos. Ver figura
15.
Figura Nº 15: Imagen de los logos URBE en Sketchup / Fuente: Navarrete,
Ojeda, Villalobos (2012)
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FASE VII. DEPURACION DEL SOFTWARE
El software inicia interpretando el programa introducido en el micro
controlador PIC, luego de esto, procede a la lectura o interpretación de los
códigos asignados, ya sea en modo manual o remoto. La interfaz consiste en
una pantalla donde se introducen los códigos y de esta manera mediante el
enlace al programa, nuevamente interpretara las acciones a realizar. Esta
interfaz es sólo utilizada en el caso de que el efector final este en modo
remoto. Al estar en modo manual, el programa se encargará de esperar el
cierre de algún pulsador y de esta manera interpretarlo con un movimiento.
Dentro de la depuración es importante destacar que fue necesario
depurar cada una de las rutinas de movimiento, corrigiendo constantemente
el posicionamiento de los servomotores.
FASE VIII. INTEGRACION DEL HARDWARE CON EL SOFTWARE
Una vez depurados los programas del control del efector tipo pinza
mecánica, se procedió a integrar el hardware con el software, se programó el
micro controlador y se colocó en los circuitos para efectuar las pruebas
pertinentes y así corregir las probables fallas.
Las fallas en las pruebas fueron mínimas, generalmente de
conexiones y referentes en mayoría a la resistencia mecánica de la pinza en
ciertos puntos físicos de la misma.
Al programar las secuencias de los servomotores, estos usaban
distintas frecuencias que se tomaron en cuenta a la hora realizar el programa
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y la interfaz. Los servomotores no trabajan de forma aislada uno del otro, ya
que a estos se les envía una señal común, y al no recibir la serie de
frecuencia requerida, trabajan con fallas. De tal manera que es obligatorio
colocar los dos servomotores para el eficiente uso del efector final.
El diseño inicial de la pinza en Sketchup Pro 8, fue para alojar un
servomotor de mayor proporción, por lo que se le colocó una base adaptada
a las especificaciones del servomotor que mueve los engranes y por tanto las
garras.
Muchas piezas de la pinza son sumamente delicadas al ser utilizadas
una y otra vez, estas no se usan para los movimientos de la misma, pero al
armar y desarmar el efector final, algunas colapsaron; sin embargo el
problema se resolvió pegando las piezas nuevamente.
Los servomotores tienen dos formas de trabajo, el modo manual y el
modo remoto. Al iniciar la pinza se encuentra en modo remoto, en este modo
se puede pasar al modo manual introduciendo un código en el programa
interfaz entre el circuito y la computadora.
El modo remoto funciona de la siguiente manera, el programa PICKit
Serial Analizer establece una interfaz a través del Controlador PIC llamado
de la misma manera y que va conectado al circuito. Este mismo envía
señales para los diferentes códigos interpretando de esta manera la acción a
realizar. Como primera acción la pinza abrirá y cerrará, demostrando de esta
manera estar encendida y el correcto funcionamiento.
Las acciones que pueden realizarse en este modo son, abrir y cerrar
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la pinza; centrar, girar a la izquierda o la derecha el codo y esperar a que el
sensor de final de carrera se active para detener las acciones, de tal manera
que se prevengan errores.
Para la ejecución de estos procesos, el programador debe interpretar
los códigos nombrados anteriormente y realizar la acción ligada al código. De
interpretar el modo manual, el efector esperará a que alguno de los
pulsadores sea presionado, a fin de realizar una acción en específico. Las
acciones son las mismas expuestas en el modo remoto.
FASE IX CONSTRUCCION DEL MODELO DEFINITIVO Y PRUEBAS
FINALES
En esta fase se obtiene un despliegue del circuito utilizado para que el
efector final tipo pinza mecánica funcionara. Se ensamblaron todas las
piezas mostradas en las imágenes. Se conectaron los servomotores al
circuito, se colocaron el programador y controlador PIC y por último se
enlazaron al computador. (Ver figuras 16, 17, 18, 19 y 20)
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Figura Nº 16: Imagen de las Piezas / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
Figura Nº 17: Imagen del esqueleto medio / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
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Figura Nº 18: Imagen del esqueleto medio 2 / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
Figura Nº 19: Imagen del esqueleto superior / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos (2012)
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Figura Nº 20: Imagen de los Engranes / Fuente: Navarrete, Ojeda, Villalobos
(2012)
2. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS.
Una vez llevada a cabo la unificación de las partes del sistema,
software y hardware, se realizó un análisis completo del comportamiento del
prototipo para garantizar el correcto funcionamiento del modelo y determinar
si los resultados de la investigación concuerdan con las teorías que sirvieron
como base para el diseño.
De acuerdo con Gomáriz y Otros (2001 p. 156) el control proporcional
integral derivativo genera una señal resultante de la combinación de la
acción proporcional, la acción integral y la derivativa que conjuntamente
permite eliminar el error en estado estacionario y conseguir así una buena
estabilidad relativa del sistema de control. Este control fue de gran ayuda por
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la precisión que brinda al momento de ajustar las posiciones de los
potenciómetros conectados al eje de giro de los motores, brindando así la
estabilidad requerida por el sistema eliminando el error que se encuentra
entre el set point y el sensor.
Cuando la longitud total de la línea de un proceso es lo más corta
posible y los puntos de almacenamiento son los menos posible, el propósito
de instalación de un efector final es la manipulación de piezas no muy
disímiles entre sí, la construcción física del prototipo alcanzado permite, en
un futuro, agregar un brazo robot que le permita una mayor libertad de
movimiento en el espacio de trabajo, para así cumplir con lo estimado por
Groover (1989) donde se refiere a que la información más completa que el
robot disponga para adaptarse al medio consiste en la imagen del espacio
que lo rodea.