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CORTINAS ÓPTICAS Y KINECT, SISTEMA DE SEGURIDAD PARA CELDA ROBOTIZADA
T.G. 1558.
GERARDO GARZÓN ALVAREZ
ANDRES LOPEZ PEÑA
INFORME FINAL
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C.
2016
2
CORTINAS ÓPTICAS Y KINECT, SISTEMA DE SEGURIDAD PARA CELDA ROBOTIZADA
T.G. 1558.
GERARDO GARZÓN ALVAREZ
ANDRES LOPEZ PEÑA
Director
Ing. JAIRO ROA LEÓN.
Profesor
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C.
2016
3
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
RECTOR MAGÍFICO: P. JORGE HUMBERTO PELÁEZ P, S.J.
DECANO ACADÉMICO: ING. JORGE LUIS SÁNCHEZ TÉLLEZ.
DECANO MEDIO UNIVERSITARIO: P. SERGIO BERNAL RESTREO, S.J
DIRECTOR DE CARRERA: ING. ALEJANDR MARIA GONZALES.
DIRECTOR DE PROYECTO: ING. JAIRO ROA LEÓN.
ARTÍCULO 23 DE LA RESOLUCIÓN No. 13 DE JUNIO DE 1946
“La Universidad no se hace responsable de los conceptos emitidos por sus alumnos en sus proyectos de
grado. Sólo velará porque no se publique nada contrario al dogma y la moral católica y porque los
trabajos no ataques o polémicas puramente personales. Antes bien, que se vean en ellos el anhelo de
buscar la verdad y la justicia”.
4
Dedico este trabajo de grado a:
A mis padres Gerardo y Consuelo, por ser mis guías y consejeros durante toda mi vida, ser siempre mis
mentores y maestros, quienes me trasmitieron su pasión por el conocimiento y la tenacidad para afrontar
los retos diarios e inesperados que se presenten.
A mi hermana, Gethy, quien siempre ha sido mi modelo a seguir y orientó mis pasos a la universidad que
me ha permitido crecer como persona tanto como profesional.
A mis padres Edgardo y Gloria, por su apoyo constante en la realización de mis metas durante el
transcurso de mi vida, por su coraje y apoyo en este proceso de estudio en mi vida.
A mi abuela Beatriz y a mi hermana Mariana, quienes siempre estuvieron alentándome para cumplir este
gran reto de mi carrera profesional; así como a todas las demás personas que me acompañaron en este
proceso del cumplimiento de esta gran meta.
5
AGRADECIMIENTOS.
Deseo agradecerle a mi director de tesis, Jairo Roa, de no haber aportado su ayuda, partiendo de un
problema real presentado en su área de trabajo, no se habría logrado crear un proyecto y llevarlo a cabo.
Al Centro Tecnológico de Automatización Industrial (C.T.A.I), quien nos brindó la ayuda en préstamos de
equipos como el Kinect, al igual que el trabajo en sus instalaciones, con el autómata MOTOMAN.
6
TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................................................ 7
LISTA DE TABLAS .............................................................................................................................................. 8
INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................................................ 9
1. MARCO TEÓRICO. .................................................................................................................................. 11
1.1. MOTOMAN SDA 10F. ............................................................................................................................. 11 1.1.1. Controlador FS100. ........................................................................................................................... 11
1.2. ARDUINO. ................................................................................................................................................ 11 1.2.1. Tarjeta ARDUINO UNO. .................................................................................................................. 11 1.2.2. Software ARDUINO IDE. ................................................................................................................. 12
1.3. PROCESSING ............................................................................................................................................... 12 1.4. KINECT. ...................................................................................................................................................... 12 1.5. FRITZING. ................................................................................................................................................... 13 1.6. TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR (BJT). ................................................................................................... 13
1.6.1. Región de corte. ................................................................................................................................. 14 1.6.2. Región activa directa en cuanto a la polaridad. ............................................................................... 14 1.6.3. Región de saturación. ........................................................................................................................ 14
2. OBJETIVO DEL PROYECTO. ................................................................................................................. 15
2.1. OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................................... 15 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS............................................................................................................................ 15
3. DESARROLLO........................................................................................................................................... 16
3.1. DESCRIPCIÓN PARTES DEL PROYECTO. ..................................................................................................... 17 3.1.1. Kinect para Xbox 360. ....................................................................................................................... 17 3.1.2. ARDUINO UNO. ............................................................................................................................... 19 3.1.3. Processing y ARDUINO IDE. ........................................................................................................... 20 3.1.4. Circuito analógico (circuito de conmutación). ................................................................................. 22
4. PROTOCOLO DE PRUEBAS. ................................................................................................................... 27
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS. ................................................................................................................. 31
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ......................................................................................... 33
7. BIBLIOGRAFÍA. ........................................................................................................................................ 34
8. REFERENTES. ........................................................................................................................................... 35
9. ANEXOS. .................................................................................................................................................... 36
7
LISTA DE FIGURAS Figura 0.1 Ventas de Robots para las industrias ______________________________________________________ 9 Figura 1.1 MOTOMAN SDA 10F YASKAWA________________________________________________________ 11 Figura 1.2 Controlador FS100 ___________________________________________________________________ 11 Figura 1.3 Logo de ARDUINO ___________________________________________________________________ 11 Figura 1.4 Dibujo ARDUINO UNO _______________________________________________________________ 11 Figura 1.5 ARDUINO IDE ______________________________________________________________________ 12 Figura 1.6 Processing IDE ______________________________________________________________________ 12 Figura 1.7 Sensor Kinect despiece ________________________________________________________________ 12 Figura 1.8 Programa Fritzing ____________________________________________________________________ 13 Figura 1.9 Fritzing Protoboard __________________________________________________________________ 13 Figura 1.10 Fritzing Esquemático ________________________________________________________________ 13 Figura 1.11 Fritzing PCB _______________________________________________________________________ 13 Figura 1.12 BJT tipo PNP y NPN _________________________________________________________________ 13 Figura 1.13 Curva característica V Vs I ____________________________________________________________ 14 Figura 1.14 Estado Corte BJT "OFF" _____________________________________________________________ 14 Figura 1.15 Estado Saturación BJT "ON" __________________________________________________________ 14 Figura 3.1 Adaptador para Kinect ________________________________________________________________ 18 Figura 3.2 Ventana Administrador de Dispositivos ___________________________________________________ 18 Figura 3.3 Ventana Ejecutar instalación ___________________________________________________________ 18 Figura 3.4 Correcta Instalación e identificación de los Controladores. ___________________________________ 19 Figura 3.5 dispositivo Desconocido _______________________________________________________________ 19 Figura 3.6 Actualización Software. ________________________________________________________________ 20 Figura 3.7 Carpeta Drivers ______________________________________________________________________ 20 Figura 3.8 Tarjeta con su respetivo puerto__________________________________________________________ 20 Figura 3.9 Skeleton Traking _____________________________________________________________________ 20 Figura 3.10 Depth Map _________________________________________________________________________ 20 Figura 3.11 Fusión de ambos ____________________________________________________________________ 20 Figura 3.12 Diagrama de flujo ___________________________________________________________________ 21 Figura 3.13 Importación de librerías y puertos ______________________________________________________ 21 Figura 3.14 Configuración puerto serial velocidad ___________________________________________________ 21 Figura 3.15 Envió datos a software ARDUINO ______________________________________________________ 21 Figura 3.16 Programación inicial de pines _________________________________________________________ 22 Figura 3.17 Lectura dato de Processing ____________________________________________________________ 22 Figura 3.18 Condición no usuarios detectados ______________________________________________________ 22 Figura 3.19 Condición usuarios detectados _________________________________________________________ 22 Figura 3.20 Región de Corte BJT _________________________________________________________________ 24 Figura 3.21 Esquemático Circuito interruptor _______________________________________________________ 25 Figura 3.22 Simulación RB de 100 Ohms. __________________________________________________________ 25 Figura 3.23 Simulación RB de 300 Ohms. __________________________________________________________ 25 Figura 3.24 Bornera CN” _______________________________________________________________________ 26 Figura 3.25 Bornera CN2 física __________________________________________________________________ 26 Figura 3.26 Esquemático general sistema de seguridad _______________________________________________ 26 Figura 3.27 Montaje físico ______________________________________________________________________ 26 Figura 4.1 Verificación código en Processing _______________________________________________________ 27 Figura 4.2 Captación del sensor Kinect ____________________________________________________________ 27 Figura 4.3 Verificación con usuario _______________________________________________________________ 27 Figura 4.4 Reconocimiento de la persona por parte del Kinect _________________________________________ 27 Figura 4.5 Vista desde la ubicación del Kinect ______________________________________________________ 28 Figura 4.6 Vista superior cortina óptica ___________________________________________________________ 29 Figura 4.7 Vista Lateral cortina óptica ____________________________________________________________ 29
8
Figura 4.8 Área de cubrimiento cortina óptica ______________________________________________________ 29 Figura 4.9 cortina óptica Kinect posición Final _____________________________________________________ 30 Figura 4.10 Cortina óptica Kinect posición final _____________________________________________________ 30 Figura 5.1 Ejes del MOTOMAN SDA10F __________________________________________________________ 31 Figura 5.2 Base Esquinera #1 ____________________________________________________________________ 32 Figura 5.3 Base Esquinera #2 ____________________________________________________________________ 32 Figura 5.4 PCB Circuito de Conmutación __________________________________________________________ 32 Figura 5.5 Security Shield ARDUINO UNO _________________________________________________________ 32
LISTA DE TABLAS Tabla 1 Cuadro metodológico propuesta de trabajo de grado. __________________________________________ 16 Tabla 2 Cuadro metodológico trabajo de grado. _____________________________________________________ 17 Tabla 3 Configuraciones para Processing __________________________________________________________ 21 Tabla 4 Configuración inicial ARDUINO IDE _______________________________________________________ 22 Tabla 5 Ventajas y Desventajas del Relé. ___________________________________________________________ 22 Tabla 6 Ventajas y Desventajas de los FET. _________________________________________________________ 23 Tabla 7 Comparación MOSFET y BJT. ____________________________________________________________ 23 Tabla 8 BJT evaluados para el circuito de conmutación. ______________________________________________ 24 Tabla 9 Especificaciones del MOTOMAN SDA10F ___________________________________________________ 31
9
INTRODUCCIÓN.
Cada vez en el medio de la industria y laboratorios universitarios es más común la interacción entre
personas y robots, en este contexto las posibilidades de accidentes obligan a los ingenieros a tomar
medidas preventivas. Hoy en día la tecnología nos ha brindado soluciones por medio de tapetes
electrónicos, cortinas ópticas, sensores infrarrojos, y demás alternativas para alcanzar la seguridad
necesaria, pero aun así detienen los procesos de producción y en casos donde no sean activados estos
sistemas de seguridad las personas pueden salir lesionadas [9].
Figura 0.1 Ventas de Robots para las industrias1
Un ejemplo claro de la interacción humano maquina robot está en el campus de la Universidad Javeriana
donde encontramos los laboratorios en disposición de los estudiantes y de personal autorizado a trabajar
en ellos, uno en particular es el Centro Tecnológico de Automatización Industrial (C.T.A.I), el cual es
usado para procesos de producción con autómatas, simulando una fábrica de ensamble a pequeña escala;
sin embargo esta zona en particular no cuenta con los sistemas de seguridad antes mencionados para evitar
accidentes a las personas que estén manipulando las maquinas.
Al ser una zona limitada en espacio no cuenta con la facilidad de instalar sistemas de seguridad
tradicionales, como tapetes electrónicos, cortinas ópticas, o vallas de seguridad los cuales encontramos en
las fábricas a gran escala, las normas (§1910.22 (b) (1) y §1910.176(a)) de la OSHA nos da las medidas
pertinentes para pasillos en estas construcciones y si se usara un sistema tradicional limitaríamos más los
espacios [10]. En vista a esto y con los recursos que posee el C.T.A.I se está trabajando en el uso de
nuevas tecnologías para el desarrollo de un nuevo sistema de seguridad con el Kinect para Xbox (o
Windows), el cual es una de estas novedosas herramientas, útil y contemporánea con las generaciones del
nuevo siglo, brindándonos la solución que se desea para el desarrollo de un nuevo sistema de seguridad.
1 Con esta grafica podemos observar el incremento en el uso de autómatas para las industrias, donde se presenta un acercamiento entre los
operadores y trabajadores del entorno físico con las máquinas, lo que llama la atención en cuestiones de seguridad para las personas en este
contexto físico, los datos fueron tomados del siguiente link: http://www.usmp.edu.pe/vision2012_lima/SEMINARIOS/conferencias/Aplicacion_ndustrial_de_robotica.pdf
10
También basándonos en la información recolectada y encontrada en fuentes de internet, hallamos un
archivo realizado por IPLAB como trabajo de grado e investigación[12], donde observamos las demás
tecnologías utilizadas para estos fines, comparado sus ventajas y desventajas, siendo el Kinect la mejor
opción para estas experimentaciones, y reforzando nuestra decisión sobre el uso de esta herramienta; entre
sus ventajas desacataban el no depender de la iluminación ambiente o la textura de los objetos, y no tener
complicaciones en la obtención de datos, ya que el mismo dispositivo (Kinect) se encarga de todo el
procesamiento de la imagen; además nos da la opción de realizar el tracking o seguimiento de movimiento
de una persona; discrimina personas y objetos sin complicaciones.
Adicional a esto se implementa una tarjeta de ARDUINO UNO con un microcontrolador ATMEGA 328,
el cual nos permite la interacción para el procesamiento de las señales del Kinect con Processing, un
ambiente de programación con las bases del mismo ARDUINO IDE, el cual tiene la librerías necesarias
para trabajar con él Kinect y crear la comunicación con la tarjeta ARDUINO UNO, además se realiza un
circuito analógico con un transistor BJT para su uso como interruptor y poder generar la señal de stop.
Todo esto con la idea de diseñar, implementar y realizar un sistema de seguridad basado en el Kinect, con
apagado automático del robot de ensamble en el momento de presenciar a alguna persona.
Este documento se encuentro dividido en seis (6) capítulos:
Capítulo 1: Este capítulo contempla el marco teórico del libro, facilitando al lector la
contextualización de algunos conceptos y herramientas a usar en el libro.
Capítulo 2: Se presenta el objetivo del proyecto, una síntesis de lo alcanzado en el proyecto,
demostrando como las características finales del desarrollo realizado para solucionar el problema
definido.
Capítulo 3: Descripción en cuanto al desarrollo del proyecto, donde se explican las funciones de
cada elemento utilizado como el Kinect, la tarjeta ARDUINO UNO y el circuito analógico.
Capítulo 4: Comprende los procedimientos parciales realizados para la comprobación del diseño
por etapas y en su totalidad.
Capítulo 5: Capitulo constituido por el análisis de resultados del protocolo de pruebas, aspectos
positivos y negativos encontrados.
Capítulo 6: Conclusiones y recomendaciones para el proyecto realizado, también se mencionan
posibles trabajos futuros que se pueden realizar con este trabajo de grado.
Se recomienda al lector observar los anexos futuras referencias que se harán durante el escrito.
11
Figura 1.2 Controlador FS100
Figura 1.3 Logo de ARDUINO
Figura 1.4 Dibujo ARDUINO UNO
Figura 1.1 MOTOMAN SDA 10F YASKAWA
1. MARCO TEÓRICO.
1.1. MOTOMAN SDA 10F.
Es un autómata de dos brazos, con 15 ejes de movilidad,
permitiendo la movilidad independiente de cada uno para distintas
tareas, está diseñado con sus propios servomotores patentados por
YASKAWA, conectados entre sí por el cableado interno en sus
brazos y cuerpo, adicional a esto posee un potente controlador
FS100 el cual viene para conexión trifásica o de una sola fase, y con
la opción de programarlo con los códigos creados por uno mismo,
como los preestablecidos por el fabricante.
Es ideal para ambientes de industria donde se trabajen procesos de
manufactura, ya que permite la interacción de ambos brazos entre sí sin necesidad de soltar el objeto de
una mano para sujetarlo con el otro, imitando las tareas que podría realizar un humano en un ambiente
similar.
1.1.1. Controlador FS100.
El controlador FS100, cuenta con la ventaja de permitir la
programación libre en lenguajes como C, C#, C++ y .Net, lo que
permite al propietario generar sus propios códigos para el
funcionamiento que desee realizar, además posee Pines I/O (entrada-
salida) de alta velocidad lo que permite utilizar señales análogas para
permitir apagados de emergencia al MOTOMAN SDA 10F.
Lo que nos interesa en este punto son las borneras que posee la CN1
Y CN2, estas permiten las conexiones de señales externas.
Para la realización de nuestro proyecto nos enfocaremos en los pines
5 y 6 de la bornera CN2, encargados de los apagados de emergencia.
1.2. ARDUINO.
Es una empresa basada en solucionar y facilitar el uso de hardware y
software para personas que deseen realizar sus propios proyectos
electrónicos, pero no poseen los conocimientos en lenguajes
avanzados de programación como C, Java o .Net, por esta razón es
muy conocido en ambientes de diseño, artes y otros campos
interdisciplinares.
Su lenguaje de programación está basado en Wiring y su interfaz
gráfica IDE en Processing.
1.2.1. Tarjeta ARDUINO UNO.
La tarjeta ARDUINO es el hardware realizado para las tareas
específicas que uno desee, por lo general están compuestas por un
microcontrolador o simplemente Shields que permiten dar
funcionalidades extra a nuestra tarjeta ARDUINO.
La página oficial nos muestra una gran variedad de gammas según
sus usos ya sea para Internet de las cosas, de características
mejoradas o en nuestro caso de nivel de entrada, de la cual usaremos
para este proyecto el ARDUINO uno.
Él ARDUINO uno es el más documentado de toda la familia de
12
Figura 1.5 ARDUINO IDE
Figura 1.6 Processing IDE
Figura 1.7 Sensor Kinect despiece
tarjetas ARDUINO, además que es para proyectos que no necesiten un procesamiento tan robusto
como en nuestro caso lo cual nos beneficia en materia de costos al ser el más usado y económico en el
mercado, está compuesto por un micro controlador ATMEGA 328p, posee 14 Pines digitales I/O
(entrada-salida) lo cuales se usan para valores lógicos como 1 y 0 según el voltaje que reciba o emita,
de estos 14 Pines 6 pueden usarse como una salida de un PWM (pulse width modulation), además de
esto posee 6 entradas análogas, un cristal de cuarzo de 16 MHz, una conexión USB, y entrada de power
Jack.
1.2.2. Software ARDUINO IDE.
El software que ARDUINO provee al mercado siempre es
actualizado cada día con las últimas mejoras para evitar errores de
compilación, la venal aja de esta herramienta es que el mismo
software es de descarga libre para todos los que deseen programar
una tarjeta ARDUINO lo que facilita su adquisición.
Además de esto tiene la facilidad de usarse en cualquier computador
ya sea MAC, WINDOWS, o LINUX, además de estar basado en
lenguaje Java y Processing puede ser usado con cualquier tarjeta
ARDUINO2.
1.3. Processing3
Plataforma base en la cual está inspirada el ARDUINO IDE.
Lenguaje de programación basado en java con gran utilización en
todo el mundo, facilita realizar procesos visuales con poco código, lo
que se conoce como prototipado rápido de aplicaciones. Es una
plataforma de código abierto y funciona en cualquier sistema
operativo como Windows, MAC, y Linux. Trabaja con pixeles y el
tamaño de pixeles es la unidad mínima de color que nos muestra la
pantalla. Maneja los cuatro canales de color, RGB más transparencia
Alpha.
La utilización de este software es para la programación del Kinect ya
que posee las librerías necesarias para su implementación4
1.4. Kinect.
Además de ser un recurso del Centro Tecnológico de Automatización
Industrial, la escogencia del Kinect parte de las características que
nos brinda, como el uso de una cámara RGB con la cual se realiza el
tracking o seguimiento del movimiento para objetos y personas, un
emisor y receptor de infrarrojos usado para la detección de
profundidad y reconstrucciones 3D, y un micrófono para seguir
comandos de voz.
Nuestro trabajo de grado se enfoca más en el uso del Depth Map o
mapeo de profundidad.
2 Para conocer más sobre la programación se recomienda revisar el siguiente enlace: http://www.letsstartcoding.com/start-win10-step-one/ 3 Curso online gratuito para conocer mejor la herramienta Processing https://www.acamica.com/cursos/5/programacion-creativa-con-processing 4 OpenNI son librerías de uso gratuito y abierto para todos, su página oficial es http://openni.ru/index.html.
13
Figura 1.8 Programa Fritzing
Figura 1.12 BJT tipo PNP y NPN
El sensor de Kinect adquiere imágenes de video con un sensor CMOS de colores a una frecuencia de
30 Hz, en colores RGB de 32-bits y resolución VGA de 640x480 pixeles. El canal de video
monocromo CMOS es de 16-bits, resolución QVGA de 320x240 pixeles con hasta 65,536 niveles de
sensibilidad. Para calcular distancias entre un cuerpo y el sensor, el sensor emite un haz de láser
infrarrojo que proyecta un patrón de puntos sobre los cuerpos cuya distancia se determina. Una
cámara infrarroja capta este patrón y por hardware calcula la profundidad de cada punto. El rango de
profundidad del sensor de Kinect esta entre 0,4 y 4 mts. (Mathe, Samban, Goméz, 2010, p.1) [11].
1.5. Fritzing5.
Es un software de fácil acceso y manejo para todos los interesados en
realizar proyectos electrónicos de una forma creativa y didáctica, está
inspirado en herramientas de software como ARDUINO y
Proccesing. Su interfaz gráfica permite al usuario elaborar sus
montajes desde el computador en un entorno virtual, poder realizar
esquemáticos de sus circuitos, editar y fabricar PCBs de alta calidad,
como trabajar con una tarjeta ARDUINO y compilarla desde el
software de Fritzing, además da la posibilidad de compartir trabajos
con los usuarios de la comunidad, y obtener materiales, clases como
tutoriales para el desarrollo de cualquier proyecto.
Para comprender mejor se deja un ejemplo de un circuito que consta de una batería, un interruptor, una
resistencia y un Diodo led, en estas imágenes se puede ver como al trabajar con una obtenemos sus
equivalentes en las otras dos funciones del programa, es decir si trabajamos sobre el Protoboard nos
genera el esquemático del circuito y su respectivo PCB.
Figura 1.9 Fritzing Protoboard
Figura 1.10 Fritzing Esquemático
Figura 1.11 Fritzing PCB
1.6. Transistor de unión Bipolar (BJT)6.
El transistor de unión bipolar conocido como BJT por sus siglas en
ingles “bipolar junction transistor”, es un componente construido con
materiales semiconductores, encontramos dos tipos el PNP y NPN,
estos poseen 3 regiones de operación las cuales se conocen como
región de corte, región activa, y región de saturación.
La primera es cuando el BJT no permite conducción de corriente
entre sus terminales colector y emisor, ya que la caída de tensión
entre la base y el emisor (Vbe) no supera los aproximados 0,7 voltios
que necesita para encenderse, en esta se asemeja a un circuito con un
interruptor abierto.
5 Página oficial de Fritzing para descarga del software http://www.fritzing.org, también tienen blogs y tutoriales para aprender su uso. 6 Imágenes e información obtenidas de la página web http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_4.html.
14
La segunda región se utiliza para trabajar el BJT como amplificador de voltaje, y la última región es
para tener conducción de corriente y semejar a un circuito cerrado. A continuación, se muestra la teoría
de cada región con sus explicaciones.
1.6.1. Región de corte.
Corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0).
En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del
circuito, como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje. Este caso normalmente se presenta
cuando la corriente de base = 0 (Ib =0).
De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un circuito abierto, ya que la
corriente que lo atraviesa es cero.
1.6.2. Región activa directa en cuanto a la polaridad.
Corriente del emisor = (β + 1)·Ib ; corriente del colector= β·Ib.
Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una
región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente
de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias
que se encuentren conectadas en el colector y emisor.
Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de
señal.
1.6.3. Región de saturación.
Corriente de colector ≈ corriente de emisor = corriente máxima, (Ic ≈ Ie = Imáx).
En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las
resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos. Se presenta cuando la diferencia de
potencial entre el colector y el emisor desciende por debajo del valor umbral VCE,sat. Cuando el
transistor esta en saturación, la relación lineal de amplificación Ic=β·Ib (y por ende, la relación
Ie=(β+1)·Ib ) no se cumple.
De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un cable, ya que la
diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero.
Las siguientes imágenes contextualizan la teoría explicada, y la curva característica del
comportamiento para el transistor según el voltaje y corriente que maneje lo que nos ayudara en los
cálculos para utilizar las regiones deseadas en nuestro caso corte y saturación.
Figura 1.13 Curva característica V Vs I
Figura 1.14 Estado Corte BJT "OFF"
Figura 1.15 Estado Saturación BJT "ON"
15
2. OBJETIVO DEL PROYECTO.
Se presenta el planteamiento del objetivo general y específicos para el desarrollo del trabajo de grado:
2.1. Objetivo general
Diseñar, implementar y realizar un sistema de seguridad basado en el Kinect, con apagado automático
del robot de ensamble en el momento de presenciar a alguna persona. El contexto de aplicación es la
celda robotizada que opera en el C.T.A.I (Centro Tecnológico de Automatización Industrial)
perteneciente a las instalaciones de la Pontificia Universidad Javeriana.
2.2. Objetivos específicos
Generar los códigos necesarios con el software ARDUINO para la programación de una tarjeta
ARDUINO uno, la cual será usada para recibir una lectura del sensor Kinect y generar un 0 lógico
en sus pines.
Implementar los códigos del software Processing para la adquisición de las lecturas del Kinect
usado como sensor, esto se logrará por medio de OpenNI para obtener las librerías y codificar el
programar para el Kinect.
Realizar un circuito analógico para realizar una interrupción en el flujo de corriente entre los pines
del controlador FS100, la activación será con una desactivación enviada (cero lógico) desde el
ARDUINO UNO al circuito que realizará la interrupción.
Caracterizar el sistema de seguridad en relación con la velocidad de respuesta y su capacidad de
detección (diferenciación de objetos y personas). Realización de experimentos y pruebas de
comprobación.
Desarrollando todos estos objetivos secuencialmente se logró realizar una señal de apagado de emergencia
con la utilización del sensor Kinect y la implementación de una tarjeta ARDUINO UNO con un
microcontrolador ATMEGA328.
Se generó un cero lógico en uno de los pines del ARDUINO UNO en la conexión con el circuito
analógico el cual consta de un BJT usado como un interruptor interrumpiendo el paso de corriente entre
las terminales de los pines 5 y 6 encargados del apagado de Emergencia por el controlador FS100.
Por otro lado, el Kinect posee la ventaja de distinguir entre objetos y personas al realizar el código
adecuado (discriminando al autómata de los usuarios del laboratorio C.T.A.I), obteniendo una respuesta
inmediata al momento de identificar una persona, y con velocidad de 9600 baudios o 9600 bits por
segundo, transmitiendo la información del computador a la tarjeta ARDUINO UNO, lo que es suficiente
para realizar el apagado del MOTOMAN SDA10F a máxima velocidad.
16
3. DESARROLLO.
Teniendo en cuenta los entregables dados en la propuesta del trabajo de grado, presentados en la siguiente
tabla, y a las modificaciones que se presentaron en el desarrollo del mismo se replantearon los objetivos
específicos en color rojo (observar tabla 1 y tabla 2).
Cuadro de metodología general (propuesta trabajo de grado).
Objetivos específicos Actividades Pasos
Generar códigos en el SDK del Kinect y
el del MOTOMAN SDA 10s, para
detección de personas u objetos y
control del MOTOMAN SDA 10F
Realizar códigos para el software
específico de cada equipo, conocer la interfaz y el manejo de cada SDK.
Realizar códigos para el Kinect en detección de personas u objetos.
Realizar códigos de control para el MOTOMAN, movimientos, frenados de
movimiento, entre otros.
Formular las condiciones apropiadas
para la comunicación entre el Kinect y
la caja de control FS 100 del
MOTOMAN SDA 10F.
Conexión Ethernet, uso de
MOTOCOM como programa de
desarrollo para MOTOMAN,
Medidas de velocidad de respuesta en
la comunicación. Pruebas de detección con diversos
materiales, y diversos ambientes.
Objeto principal de pruebas Kinect.
Medición velocidad de respuesta detección por
parte del Kinect.
Medición de velocidad en envió de órdenes al
controlador FS100 del MOTOMAN.
Intercomunicación con Kinect y el MOTOMAN
por medio de Visual Studio C++.
Pruebas de detección con diferentes vestimentas
para los operadores, variación de colores.
Usos de casco y verificación de la rapidez en detección con estos implementos de seguridad.
Cambios de ambiente para ver respuesta del Kinect.
Caracterizar el sistema de seguridad,
realizando pruebas de comprobación
Realización de pruebas para el sistema de seguridad global,
detección de objetos y personas.
Prueba del sistema de seguridad, detección de objetos, resultado esperado, detención
automática del MOTOMAN.
Pruebas con personas del sistema de seguridad, usos de implementos de seguridad para estas
pruebas.
Redactar recomendaciones y
conclusiones de las pruebas de la fase
de comprobación para el uso óptimo
del sistema de seguridad.
Redacción del manual de uso para los
futuros operadores del sistema de
seguridad.
Redacción de las instrucciones básicas para el uso del sistema de seguridad.
Recomendaciones y explicaciones del uso del sistema de seguridad.
Redacción de la utilización del software, y material necesario para futuros desarrolladores
que deseen trabajar con el sistema de seguridad.
Tabla 1 Cuadro metodológico propuesta de trabajo de grado.
En relación con el apagado automático, al verificar la realización de programar el Kinect, y luego usar una
programación del autómata para realizar el apagado de emergencia, ya sea con comunicación Ethernet o
RS232, se encontró otra solución más rápida para generar este parado de emergencia. La nueva solución a
proponer es usar la conexión directa que posee el controlador FS100 conectado al MOTOMAN SDA10F.
La razón más importante es por seguridad y efectividad del proyecto, al diseñar un sistema de seguridad
requerimos de una respuesta rápida del mismo, por lo cual al trabajar con un circuito externo que mande
una señal o voltaje directamente al controlador para realizar el apagado de emergencia, nos da un tiempo
de respuesta más corto que realizar una comunicación por vía Ethernet para mandar un algoritmo que
realice dicho apagado, además solo se realizaría el procesamiento del algoritmo para el Kinect eliminando
el tiempo que también le tomaría al software para el MOTOMAN y enviar la función de apagado de
emergencia.
En cuanto a la cantidad de sensores tipo Kinect para la realización del proyecto. Para un mejor barrido del
espacio de trabajo del robot se hace necesario el uso de dos (2) Kinect, lo que mejora el cubrimiento del
área de sensado y seguridad de las dos zonas críticas (lado izquierdo y derecho) del autómata
MOTOMAN. Las áreas mencionadas presentan alto flujo de personal en el C.TA.I.
La implementación de otro Kinect, segunda modificación, no afecta la solución y los objetivos planteados.
17
Ahora se plantea solo realizar la programación del Kinect por medio del software Processing la cual
recibirá una lectura, al momento de tener una detección se transmitirá la información a una tarjeta
ARDUINO UNO el cual enviará un cero lógico a un circuito analógico que tendrá la función de
interrumpir el paso de corriente para encender directamente la parada de emergencia en el controlador
FS100, el circuito externo deberá manejar un voltaje de 24 V y una corriente máxima de 200 mA, los
cuales se pueden utilizar de los mismos pines que se encuentran en el controlador.
Con estas modificaciones se presentan los entregables del trabajo de grado descritos de la siguiente forma:
Cuadro de metodología general Modificado.
Objetivos específicos Actividades Pasos
Generar códigos en el software
ARDUINO para obtener un cero lógico
con la tarjeta ARDUINO UNO al
detectar una persona con el sensor
Kinect, el cual está programado con el
software Processing.
Realizar códigos para el software específico de cada equipo, conocer la
interfaz y el manejo de ARDUINO y
Processing.
Realizar códigos para el Kinect en detección de personas.
Realizar códigos del ARDUINO UNO para generar un cero Lógico.
Realización de la comunicación entre el software Proccesing y el ARDUINO para la fusión de
ambas partes.
Diseñar un interruptor por medio de un
circuito analógico para los pines de la
caja del controlador FS 100 del
MOTOMAN SDA 10F, realizar la
conexión del circuito con la tarjeta
ARDUINO UNO.
Investigar y escoger la mejor
topología para un circuito analógico
usado como interruptor, ya sea un relé, un comparador o un BJT.
Estudio de las ventajas y desventajas para cada topología.
Tener en cuenta los voltajes y corrientes en las que trabajan los pines I/O del controlador FS100
para realizar los cálculos pertinentes.
Simular el circuito escogido para verificar los cálculos esperados.
Conectar el circuito al pin de la tarjeta ARDUINO UNO y revisar su funcionamiento.
Verificación del funcionamiento con el ensamble del Kinect, la Tarjeta ARDUINO y el
circuito analógico.
Caracterizar el sistema de seguridad,
realizando pruebas de comprobación
Realización de pruebas para el sistema de seguridad global,
detección de objetos y personas.
Prueba del sistema de seguridad, detección de objetos, resultado esperado, detención
automática del MOTOMAN.
Pruebas con personas del sistema de seguridad,
usos de implementos de seguridad para estas
pruebas.
Redactar recomendaciones y
conclusiones de las pruebas de la fase
de comprobación para el uso óptimo del
sistema de seguridad.
Redacción del manual de uso para los
futuros operadores del sistema de
seguridad.
Redacción de las instrucciones básicas para el uso del sistema de seguridad.
Recomendaciones y explicaciones del uso del sistema de seguridad.
Redacción de la utilización del software, y material necesario para futuros desarrolladores
que deseen trabajar con el sistema de seguridad.
Tabla 2 Cuadro metodológico trabajo de grado.
3.1. Descripción partes del proyecto.
A continuación, se hace explicación de cada parte del proceso para la elaboración y uso del sistema de
seguridad.
3.1.1. Kinect para Xbox 360.
El Kinect tanto para Xbox como para Windows es una herramienta poderosa, ya sea como sensor de
transmisión y recepción para infrarrojos usado en la medición de profundidades, o seguir segmentos
del cuerpo humano; permite la grabación como cámara RGB, y posee un micrófono para el
accionamiento por comandos de voz. Para este trabajo de grado se usó este sensor para el mapeo de
profundidad y el seguimiento del esqueleto humano.
Lo primero a considerar para utilizar el Kinect del Xbox 360 es la utilización de un adaptador externo
para suplir el voltaje necesario y permitir que este funcione correctamente.
18
Figura 3.3 Ventana Ejecutar instalación
La imagen a la izquierda nos contextualiza como debería ser, en el
mercado encontramos este elemento a precios aproximados de
$30.0007 pesos colombianos
Luego de adquirir el adaptador ya podemos hacer uso de nuestro
Kinect en el computador.
Lo siguiente a realizar es la instalación de los controladores
necesarios para el uso del Kinect como sensor, estos los podemos
encontrar en la página oficial de Microsoft8.
Lo primero al momento de instalar los controladores es buscar en el
panel de control el administrador de dispositivos, veremos una
ventana con todos los puertos USB, y en otros dispositivos aparecerá el sensor Kinect, como se observa
en la siguiente imagen.
Figura 3.2 Ventana Administrador de Dispositivos
Para solucionar la detección del Kinect solo debemos actualizar los controladores, instalando el
software gratuito Kinect for Windows Runtime v1.8, estos se actualizarán automáticamente.
La ventana emergente para la instalación del
controlador es la siguiente:
Se da ejecutar y se siguen las instrucciones del
instalador, se aceptan los términos y condiciones de
licencia, y se da instalar.
Se le da permiso al instalador para ser ejecutado, y se
espera a terminar el proceso de instalación,
procediendo a conectar el Kinect al computador, y
este previamente conectado al adaptador de poder.
Tendremos ya los controladores actualizados y nos
7 Una manera sencilla de conseguir el adaptador de poder es por medio del siguiente enlace: http://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-422736003-adaptador-kineckt-xbox-360-_JM 8 Enlace para descarga de controladores: https://www.microsoft.com/en-us/search/result.aspx?q=drivers+Kinect&form=dlc
Figura 3.1 Adaptador para Kinect
19
deberá mostrar en el Administrador de dispositivos la identificación del Kinect para Windows, como
aparece en la Figura 3.4.
Figura 3.4 Correcta Instalación e identificación de los Controladores.
Así sabremos que el Kinect está listo para usarlo con el computador, en nuestro caso para desarrollar
un programa que identifique a las personas.
Por ahora procedemos con el siguiente Hardware que utilizaremos para nuestro Sistema de seguridad,
la tarjeta ARDUINO UNO.
3.1.2. ARDUINO UNO.
La utilización de la Tarjeta ARDUINO necesitara de la instalación de sus propios controladores los
cuales están en la página oficial de la empresa y se descargaran con los archivos del ARDUINO IDE9,
ahora los pasos a seguir para Windows XP al 10 son los siguientes10 .
Al igual que en la instalación del Kinect se debe abrir el
Administrador de dispositivos, el cual lo hayamos en el panel de
Control.
En esta ventana buscaremos los puertos COM & LPT, el cual nos
mostrara la tarjeta conectada a un puerto como “Arduino UNO
(COMxx)”, si no tenemos la opción de puertos COM & LPT,
saldrá en otros dispositivo como “Dispositivo Desconocido” ver
Figura 3.5.
El paso a seguir es dar click derecho y actualizar controladores, nos abrirá una ventana emergente
donde buscaremos manualmente los controladores a dar click en el botón examinar, buscaremos la
carpeta donde tenemos descargados nuestros archivos del Software y seleccionamos la capeta
9 Descarga de software ARDUINO en el siguiente enlace: https://www.arduino.cc/en/Main/Software 10 Paso a paso con imágenes en la página oficial de ARDUINO, https://www.aruino.cc/en/Guide/UnoDriversWindowsXP, esto siempre se realiza
para el paquete de instalación comprimida.
Figura 3.5 dispositivo Desconocido
20
“Drivers” con el archivo de controlador “arduino.inf”, si es una versión más antigua del IDE 1.0.3
buscar por “ArduinoUNO.inf”. Ver imágenes.
Figura 3.6 Actualización Software.
Figura 3.7 Carpeta Drivers
Figura 3.8 Tarjeta con su respetivo puerto
Finalizados todos estos pasos volvemos abrir el Administrador de Dispositivos y nos aparecerá
identificado el ARDUINO con su respectivo puerto COM, Figura 3.8.
Culminada la instalación de cada hardware del proyecto procedemos a la programación.
3.1.3. Processing y ARDUINO IDE11.
Se debe verificar las especificaciones del equipo para descargar los archivos correctos de 32 o 64 bits,
y el sistema operativo como MAC OS X, Linux o Windows.
Para comenzar el proceso de programación, inicialmente se realizó la descarga de las librerías llamadas
OpenNI12; después de ser analizadas, se tomó un ejemplo de ellas como base, en donde se tuvo en
cuenta el Depth Image y el Skeleton Tracking programación que traduce la información del Kinect en
medidas de profundidad y reconocimiento de una morfología humana. (Se recomienda revisar los
ejemplos brindados por Processing).
Se muestran las visualizaciones de cada caso y su fusión.
Figura 3.9 Skeleton Traking
Figura 3.10 Depth Map
Figura 3.11 Fusión de ambos
Ya con los ejemplos estudiados se procedió a modificar el código para la generación de una señal de
detección, la cual se transmitirá a la tarjeta ARDUINO UNO para generar un cero lógico en el
momento que se detecta a la persona en el sistema, y así cortar el circuito de conmutación en el
momento adecuado.
11 Los softwares de instalación para cada programa se encuentran en los siguientes enlaces, para mayor orientación leer los documentos guías brindados por cada empresa.
Processing IDE: https://processing.org/download/?processing.
ARDUINO IDE: ver referencia nueve (9) en la página anterior. 12 Librerías de uso libre y gratuito, con las que se tendrán los elementos de manejo para el sensor Kinect, como Depth map, y Skeleton tracking,
los cuales son los que necesitamos para el desarrollo del proyecto, estas se pueden descargar del siguiente enlace: http://openni.ru/openni-sdk/
21
El flujo de trabajo es el siguiente.
Figura 3.12 Diagrama de flujo
3.1.3.1. Proceso de Programación Processing IDE.
Descripción de las configuraciones iniciales en la siguiente tabla, revisar anexos para ver códigos
completos.
Configuraciones Processing IDE. Imágenes Codigos Descripción
Figura 3.13 Importación de librerías y puertos
Originalmente en el proceso de programación para
Processing, se da inicio con la importación de las librerías del “SimpleOpenNI” y los puertos USB del ordenador.
Figura 3.14 Configuración puerto serial velocidad
En la función de inicialización, se comienza la lectura de los
puertos que se encuentran disponibles; seguida de una
configuración en la velocidad de trasmisión del puerto, para nuestro caso de 9600 baudios.
Figura 3.15 Envió datos a software ARDUINO
Se configura la función en donde nos produce el
reconocimiento de los usuarios, cuando ésta es mayor a 1,
nos imprime en Processing el dato e inmediatamente nos
envía un cero (0) al software ARDUINO IDE el cual retransmitirá este cero (0) a uno de los pines de la tarjeta
ARDUINO UNO.
En el caso que no se presente reconocimiento de un usuario,
ésta nos imprime un uno (1) en Processing y lo retransmite a
la tarjeta ARDUINO UNO por medio del ARDUINO IDE.
Tabla 3 Configuraciones para Processing
22
De esta manera se logra una conexión entre el Kinect y la tarjeta ARDUINO UNO, más la
identificación de un usuario.
3.1.3.2. Proceso de Programación ARDUINO IDE.
Configuraciones ARDUINO IDE. Imágenes Codigos Descripción
Figura 3.16 Programación inicial de pines
Después de obtenidos los datos de entrada en Processing
por medio de los puertos, se origina en la primera parte la salida de los pines debido al reconocimiento (si es 1 o 0), y
así consecutivamente poder presentar la generación de las
salidas y dar inicio a la comunicación serial en 9600 bits/s.
Figura 3.17 Lectura dato de Processing
Debido a la lectura de los puertos, se obtienen los datos de
entrada del Processing, es decir se da lee la lectura que da el sensor Kinect.
Figura 3.18 Condición no usuarios detectados
En este algoritmo se presenta la verificación de la entrada
(si es 1 o 0), dependiendo de la información que se reciba del dato de entrada en Processing.
En el caso que el resultado sea 1 nos generara en los puertos de salida un HIGH (1) del ARDUINO UNO.
Figura 3.19 Condición usuarios detectados
Finalmente si el dato de entrada que nos genera es un 0, nos
generara un LOW (0) en los puertos de salida del ARDUINO UNO.
Tabla 4 Configuración inicial ARDUINO IDE
3.1.4. Circuito analógico (circuito de conmutación).
Para la escogencia del circuito de conmutación se realizó el estudio previo de los elementos utilizados
en los circuitos de conmutación, como el relé los transistores tipo FET y BJT, observando sus ventajas
y desventajas.
Relé. Ventajas Desventajas
• Adaptación sencilla a diferentes valores de tensión.
• Insensibilidad ante temperaturas extremas
• Conexión de varios circuitos independientes.
• Separación galvánica entre circuito de mando y de
potencia.
Contactos defectuosos por oxidación de los mismos.
Creación del arco voltaico con efecto de abrasión o destrucción
de los contactos auxiliares.
Ruido elevado en conmutación.
Sufren una excesiva influencia por los agentes externos del entorno industrial, por ejemplo, el polvo.
Tiempo de conmutación excesivamente altos en comparación con otros componentes electrónicos.
Tabla 5 Ventajas y Desventajas del Relé.
23
Considerando las desventajas del uso del Relé se descarta su utilización para el circuito de
conmutación, en especial por el ruido y tiempo elevado en su uso como interruptor, frente a otros
componentes.
Transistor tipo FET y BJT. Ventajas Desventajas
• Son dispositivos controlados por tensión con una
impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012
ohmios).
• Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.
• Los FET son más estables con la temperatura que los
BJT.
• Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues
precisan menos pasos y permiten integrar más
dispositivos en un CI.
• Los FET se comportan como resistencias controlados
por tensión para valores pequeños de tensión drenaje-
fuente.
• La alta impedancia de entrada de los FET les permite
retener carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.
• Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor
y conmutar corrientes grandes.
Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la
alta capacidad de entrada.
Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son
menos lineales que los BJT.
Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.
Tabla 6 Ventajas y Desventajas de los FET.
De este estudio se realizó una comparación con el transistor BJT, detallado en la siguiente tabla.
MOSFET BJT
Baja ganancia de voltaje Alta ganancia de voltaje
Alta ganancia de corriente Baja ganancia de corriente
Alta impedancia de entrada Baja impedancia de entrada
Generación de ruido baja Generación de ruido media
Tiempo de conmutación alta Tiempo de conmutación media
Se daña con la estática Soporta Estática
Algunos requieren una entrada para apagarlo. Requiere una entrada de cero para apagarlo
Dispositivo controlado por voltaje Dispositivo controlado por corriente
Mayor costo Bajo Costo
gm (factor de transconductancia) ß (beta factor de amplificación)
ID es una función de Vgs IC es una función de IB
Relación cuadrática entre Vgs e Id Relación lineal entre Ib e Ic
Tabla 7 Comparación MOSFET y BJT.
Comparando las características de ambos transistores se escoge el uso del BJT, en primera medida por
ser controlador con corriente, un aspecto deseado para nuestro diseño, además, es un componente de
bajo costo lo cual facilita su comercio en el mercado colombiano, permitiendo a cualquier persona
conseguirlo sin ninguna dificultad.
24
Figura 3.20 Región de Corte BJT
Por otro lado, el tiempo de conmutación es menor a comparación del MOSFET, lo cual es requerido
para nuestro sistema de seguridad, al generar el apagado de emergencia en la celda robotizada.
BJT.
Culminada la primera parte en la escogencia del componente central para el circuito de conmutación,
pasamos a revisar que transistores tipo BJT, se encuentran en el mercado y cumplen las
especificaciones necesarias (voltaje y corriente) para nuestro diseño.
La escogencia del mismo se realizó en base a:
Tener un manejo de 24 Voltios y 200 miliAmperios máximos.
Tiempo de apagado rápido, es decir, el tiempo en que demora en pasar a su región de corte.
Disponibilidad en el mercado colombiano, y a un precio asequible para todos.
Mostramos una tabla como apoyo al lector para entender la escogencia.
BJT Manejo 24V-200mA Tiempo de Apagado Económico Disponibilidad
2N2222 X 300 ns X X
2N3499 X 1150 ns
2N4400 X 20-30 ns (30V) X
2N3416-2N3417 X No se encontraron datos X
2N3490 al 2N3493 X No se encontraron datos X
2N3904 X 35-50 ns (30V) X X
Tabla 8 BJT evaluados para el circuito de conmutación.
Como bien se puede observar en la tabla anterior se escoge el BJT 2N3904, ahora procedemos a
realizar los cálculos pertinentes para el diseño del circuito de conmutación.
Cálculos.
Centraremos la realización de los cálculos a la región
de saturación para el BJT, como bien se sabe para
obtener un circuito de conmutación se trabaja en esta
y la región de corte, en donde la última solo se
simplifica a no tener paso de corriente por la base del
transistor para apagarlo o “cortarlo”, esto se observa
mejor en la figura presentada a la derecha.
Se procede a los cálculos para Saturación.
𝑉𝐵𝐸(𝑆𝑎𝑡) = 0.65 𝑉 𝑉𝐶𝐸(𝑆𝑎𝑡) = 0.2 𝑉
𝑉𝐶𝐸(𝑆𝑎𝑡) = 𝑉𝐵𝐸(𝑆𝑎𝑡) − 𝑉𝐵𝐶(𝑆𝑎𝑡)
𝑉𝐵𝐶(𝑆𝑎𝑡) = 0. 45 𝑉
Con los valores ya obtenidos encontramos Corriente Base
𝛽𝐼𝐵 ≥ 𝐼𝐶 = 50 𝑚𝐴 = 𝐼𝐸 − 𝐼𝐵
𝛽 = 300 => 𝐼𝐵 ≈ 166 𝜇𝐴 => 𝐼𝐸 ≈ 50 𝑚𝐴
Suponiendo un circuito serie Fuente Resistencia
𝑉𝐶 = 𝑅𝐶 . 𝐼𝐶 => 𝑅𝐶𝐸 =𝑉𝐶𝐸
𝐼𝐶𝐸
=24 𝑉
50 𝑚𝐴= 480 Ω
𝑅𝐶 =𝑉𝐶
𝐼𝐶
=24 𝑉 − 0.2 𝑉
50 𝑚𝐴= 476 Ω 𝑐𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 470 Ω
Hallamos la resistencia emisor, y repartimos
los valores en Resistencia Colector y
Resistencia emisor de los 480 Ω
𝑅𝐸 =𝑉𝐸
𝐼𝐸
=0.2 𝑉
50 𝑚𝐴= 4 Ω
𝑉𝑅𝐶 = 𝐼𝑅𝐶 . 𝑅𝐶 = 50 𝑚𝐴. 390 Ω = 19.5 𝑉
𝑉𝑅𝐸 = 𝐼𝑅𝐸 . 𝑅𝐸 = 50 𝑚𝐴. 100 Ω = 5 𝑉
Encontramos Resistencia Base
24 𝑉 − 19.5 𝑉 = 4.5 𝑉; 4.5 𝑉 − 0.2 𝑉 = 4.3 𝑉
4.3 𝑉 + 0.65 𝑉 = 4.95 𝑉; 5 − 4.95 𝑉
= 0.05 𝑉
𝑅𝐵 =𝑉𝑅𝐵
𝐼𝑅𝐵
=0.05 𝑉
166≅ 301 Ω
25
Resumiendo:
Para realizar la interrupción de corriente entre los pines del
Controlador FS100, se plantea el uso de un circuito analógico
como interruptor, se evaluó el uso de un Relé pero se descartó
por el desgaste magnético, y tiempo de conmutación que posee
este componente, encontrando la mejor opción el uso de un
transistor BJT.
Teniendo en cuenta las condiciones de voltaje y corriente para
los pines del controlador, siendo de 24 Voltios y 50 mA para su
funcionamiento, se procedió a realizar los cálculos pertinentes
para saber las resistencias a usar, pero antes se decidió trabajar
con un BJT 2N3904, el cual trabaja con voltajes de 24 Voltios
y corrientes máximas de 200 mA.
En la figura se muestra el esquemático del circuito la
resistencia en colector nos dio a un valor cercano a 480 ohms asumiendo el BJT en saturación para 50
mA y 24 V.
Dando una tolerancia se trabajó con corrientes de 40 mA, lo que nos cambia la resistencia de colector
por un valor comercial de 390 ohms, en la resistencia de emisor se escogió una resistencia comercial de
100 ohms, y para la base una resistencia comercial de 51 ohms.
Se comprobaron los valores evaluados con un simulador para ver si efectivamente estábamos
trabajando con una corriente cercana según los valores escogidos para las resistencias13.
Figura 3.22 Simulación RB de 100 Ohms.
Figura 3.23 Simulación RB de 300 Ohms.
Las variaciones de corriente son mínimas en el cambio de la resistencia en la base del BJT, revisando
las condiciones para el transistor en la región de saturación se puede notar que se cumplen
correctamente, de esta manera validamos que los cálculos tanto como las simulaciones son
equivalentes entre sí, por lo cual procedemos a trabajar el circuito diseñado con el controlador del
MOTOMAN, el FS100.
De los pines del FS100 utilizamos los 24V de alimentación para el circuito analógico, y de la tarjeta
ARDUINO UNO obtenemos los cero Voltios (0 V), para realizar el apagado del transistor BJT
2N3904.
La explicación total con la bornera del controlador CN2 y sus pines correspondientes es la siguiente:
13 Software utilizado EveryCircuit, simulador online de google, enlace: http://everycircuit.com.
Figura 3.21 Esquemático Circuito interruptor
Pin 5-6 24V
26
El funcionamiento del interruptor es obtener cero voltios a la base del BJT, lo que manda
inmediatamente a región de corte evitando el paso de corriente entre los pines 5 y 6 del controlador
FS100.
Se muestra un esquema de la conexión de pines obtenida en el manual del FS100 y su vista física.
Figura 3.24 Bornera CN”
Figura 3.25 Bornera CN2 física
La conexión se hará en las borneras que correspondes a CN2 por los pines 5-6, los pines 16-17 se
tendrán en corto, estos cuatros son los usados para el botón externo de parado de emergencia, de esta
manera no tendremos un interruptor manejado manualmente sino automático según la lectura del
Kinect.
Quedándonos el siguiente circuito total para el sistema de seguridad.
Figura 3.27 Montaje físico
Como se observa el circuito está conectado al pin 10 de la tarjeta ARDUINO UNO, y el colector al pin
5 y el emisor al pin 6, o también se puede trabajar con los pines 16 y 17, pero manteniendo en corto los
otros dos.
Figura 3.26 Esquemático general sistema de seguridad
27
4. PROTOCOLO DE PRUEBAS.
La primera prueba a realizar después de haber concluido con la elaboración del sistema de seguridad es
con el MOTOMAN SDA10F, para observar si hay errores en la identificación de un objeto, así este en
movimiento, las imágenes a continuación muestran la lectura del Kinect y el procesamiento en el
programa Processing donde vemos que mantiene una lectura en unos.
Figura 4.1 Verificación código en Processing
Figura 4.2 Captación del sensor Kinect
En el caso que no se presente reconocimiento de un usuario en el Processing, por lo que nos imprime un 1
como resultado, continuando con el proceso normal del autómata, de esta forma vemos la verificación en
detección de objetos.
Ahora verificamos el mismo proceso con una persona.
Figura 4.3 Verificación con usuario
Figura 4.4 Reconocimiento de la persona por parte del Kinect
Si se presenta el reconocimiento de un usuario en Processing, inmediatamente éste nos genera un 0
generando el apagado automático del MOTOMAN SDA10F.
28
Con esto tenemos la certeza de discriminar personas y objetos por parte del sistema de seguridad14.
Teniendo la certeza en que se pueden identificar personas y objetos se procede a contextualizar el
ambiente para las pruebas del sistema de seguridad con una ubicación que observe el espacio del
MOTOMAN SDA10F.
Mediciones del robot. Contexto.
Brazo derecho: 1,26 m con radio máximo de 1,26 m del hombro a punta de la mano
Brazo izquierdo: 1,18 m con radio máximo de 1,18 m del hombro a punta de la mano.
Brazos sin manos: 1,15 m, desde el centro del robot. Radio de referencia 1,15 m +-1.
Ancho del tronco: 26 cm.
Alto del robot: 1,51 m.
Lado derecho del robot distancia del centro a zona de seguridad 1,70 m.
Lado izquierdo del robot distancia del centro a zona de seguridad 1,56 m.
Área zona de seguridad delimitada 3,44 m x 1,70 m.
Soporte del robot de 50x50 cm, desde una cara del soporte a la mesa 1,60 m.
Datos para los Kinect posible ubicaciones.
Kinect #1: lado izquierdo del robot
Altura 2,50 m. Inclinación propia -27 Inclinación base 0
Kinect #2: frente al robot
Altura 2,09 m. Inclinación propia -20 Inclinación base 26
Kinect#3: lado derecho del robot.
Altura 2,60 ms. Inclinación propia -20 Inclinación base 9,7
Base para el Kinect usada en las mediciones. 10x34,4 cm.
Se procedió a escoger la ubicación central, la cual nos abarcaba ambos lados del robot con la utilización
de un solo Kinect.
Figura 4.5 Vista desde la ubicación del Kinect
14 Video-prueba de la realización del funcionamiento (anexo en el Cd de informe final).
29
Para observar la cortina óptica del cubrimiento que realiza el sistema de seguridad se presentan los
siguientes planos del laboratorio C.T.A.I, los primeros tres son de las pruebas realizadas y los dos últimos
de la posición final escogida para abarcar mayor área (todas las medidas estas en mm).
Figura 4.6 Vista superior cortina óptica
Figura 4.7 Vista Lateral cortina óptica
Figura 4.8 Área de cubrimiento cortina óptica
Como se explicó anteriormente estas son las medidas de la cortina óptica para la comprobación del
sistema de seguridad como pueden observar el Kinect está apoyado sobre la pared a una altura aproximada
de 1.86 metros del piso, y a una distancia del MOTOMAN de 2 metros.
Detallando la imagen superior vemos que en esta posición el Kinect cubre parcialmente al autómata, sin
poder cubrir las “manos” o ultimas secciones de este, aunque lo cubre en gran medida aun no es óptimo
para su lectura razón por la cual se busca posicionar el sensor Kinect arriba de los 2 metros a nivel del piso
para obtener un área más productiva de la cortina óptica.
las imágenes siguientes nos muestran el posicionamiento final y su cubrimiento para la cortina óptica por
parte del sensor Kinect, las medidas están en mm.
30
Figura 4.9 cortina óptica Kinect posición Final
Figura 4.10 Cortina óptica Kinect posición final
Observando las imágenes anteriores se observa el cambio del posicionamiento final, el sensor Kinect se
coloca a una altura de 3 metros desde el piso y con una inclinación de 26° aproximadamente, la figura
superior nos muestra que las ultimas extremidades del MOTOMAN tienen un mayor cubrimiento por
parte de la cortina (radios de movilidad del autómata), al igual que en su vista lateral.
31
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
Concluidas el protocolo de pruebas, se obtuvieron los resultados esperados, como se mostraba en las
imágenes de las Figuras 4.2 y 4.4, el procesamiento de datos era el deseado con la discriminación de
personas y el autómata.
Se obtuvo una velocidad de respuesta ideal ya que al tener códigos sencillos y cortos permite la
transmisión del único bit uno o cero, con los 9600 bits por segundo, a aproximadamente 0.1 ms por bit, lo
que es más que suficiente y necesario para detener al MOTOMAN SDA10F a su máxima velocidad de
movimiento.
Ya que, según su tabla de velocidades descrita a continuación, los 9600 bits por segundo envían 1 bit de
transmisión en 104 µS, microsegundos, respuesta suficiente para los 400°/Segundo, donde los 104
microsegundos equivalen a 0,041° de movimiento para el robot.
Tabla 9 Especificaciones del MOTOMAN SDA10F
Figura 5.1 Ejes del MOTOMAN SDA10F
Al lado de la se deja una imagen con los ejes descritos en la Tabla 9, estos datos se pueden observar en el
manual del MOTOMAN SDA10F15.
La ubicación elegida funciono en gran medida al permitir el cubrimiento del lado derecho e izquierdo del
robot, creando una parada inmediata al momento de detectar a alguien por cualquiera de los dos lados. Se
recomienda revisar el video anexo.
Para un mejor posicionamiento se plantean dos bases las cuales pueden ubicarse en las esquinas de las
paredes, para la implementación de dos o más sensores tipo Kinect, donde las modificaciones para esta
realización es simplemente identificar cada Kinect en Processing, y utilizar diferentes pines del
ARDUINO UNO.
15 Ver videos anexos donde se muestra la comprobación a máxima velocidad, y su respuesta para el apagado de emergencia, también en el video
se presenta el funcionamiento con el circuito impreso, y como se da el mensaje de parado automático en el control del FS100.
32
Figura 5.2 Base Esquinera #1
Figura 5.3 Base Esquinera #2
Por otro lado se planteó el diseño de un PCB para el circuito analógico, el cual sería útil ubicarlo cerca al
controlador para la conexión de los pines, pero además se propone un Shield para la tarjeta ARDUINO
UNO, lo cual facilitaría las conexiones entre los tres elementos, además que la tarjeta puede programarse
y dejarse en funcionamiento con la alimentación de un adaptador de poder sin necesidad de estar
físicamente conectada al computador, se muestran los PCBs diseñados en las siguientes imágenes16.
Figura 5.4 PCB Circuito de Conmutación
Figura 5.5 Security Shield ARDUINO UNO
16 Se dan como anexos los archivos de cada circuito impreso para poder realizarlos nuevamente.
33
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
La comunicación entre Processing y ARDUINO no tiene inconvenientes al ser tan similares, solo
se debe programar ambos en la lectura del puerto COM que posea la conexión del ARDUINO y
los 9600 baudios del puerto serial para realizarlo.
Se evaluó el uso de un relé, pero al poseer ruido electromagnético no es tan recomendable; por lo
que se optó por el uso de un BJT, el cual funciona mejor como interruptor para alta potencia,
como la manejada por el controlador FS100 (24V 200mA).
Generando las pruebas con la máxima velocidad del MOTOMAN SDA10F, el tiempo de
respuesta es excelente para generar el parado de emergencia.
En la programación se recomienda usar el Depth image y es el Skeleton tracking, ya que estos
tienen mayor facilidad para el reconocimiento del usuario.
No se deben reiniciar las actividades del Motoman hasta que el programa Processing este
ejecutando un 1.
Se debe tener en cuenta la calibración y posición del Kinect para su óptimo funcionamiento, el
Kinect se debe encontrar totalmente fijo para evitar datos erróneos.
Las recomendaciones para la implementación del sistema de seguridad son:
Inicialmente se debe elegir apropiadamente el sitio donde se pondrá el Kinect en grados de inclinación y
profundidad es decir su debida calibración, seguido de tener instalados los programa de Processing y
ARDUINO se procede a compilar y programar ambos.
Seguidamente se conecta el Kinect al computador y se corre el programa del trabajo de grado ¨sistema de
seguridad”, obteniendo así el reconocimiento de los usuarios, Processing estará generando un 1, en este
punto la calibración del Kinect se puede generar en busca de su mejor posición en el área de trabajo.
Se recomienda antes de cualquier actividad del MOTOMAN, generar el reconocimiento de los usuarios
observando y verificando en el programa de Processing, es decir que se genere el 0 y en el ARDUINO que
el Led indicador (pin 13) este apagado.
Para el siguiente paso de la calibración para la implementación del parado automático se debe colocar un
proceso de no alcance al usuario, pero que este entre en el área de trabajo en la cual estará el MOTOMAN
realizando sus procesos, generando el parado automático al momento de ingresar en esta zona.
Solo hay necesidad del uso de dos pines el 5 y el 6 para la realización del apagado los pines 16 y 17 se
pueden dejar con un jumper para dejar la conexión directa, o utilizarse con otros sensores para tener un
mejor sistema de seguridad, como infrarrojos para complemento del sistema de seguridad.
Un posible alcance para este trabajo de grado podría ser la utilización del ARDUINO UNO para transmitir
alertas del sistema de seguridad por la red local del laboratorio, así mismo utilizar una aplicación que
permita el monitoreo con la cámara del Kinect para control del MOTOMAN SDA10F
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7. BIBLIOGRAFÍA.
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9. ANEXOS17.
Anexos A Códigos en ARDUINO
Anexos B códigos en Processing
Anexos C Programas en Fritzing y PCBs.
Anexos D Manual controlador fs100.
Anexos E Videos de comprobación.
17 Todos los anexos respectivos a este trabajo de grado pueden ser consultados en el siguiente link:
https://www.dropbox.com/sh/ad2opd6dsk603e0/AACBVCFU4MfDAC4g2g_cTyELa?dl=0
