Upload
trinhngoc
View
245
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
VOLÚMENÚMEROENERO 2
EN 2 O 1 2013
La Mecatrónica en México
Comité Editorial de la Revista
Diseño Gráfico Mónica Vázquez Guerrero
Kikey Stephanie Méndez Sánchez Alejandra Miguel Vargas Mandujano
Vinculación Luis Alberto Aguilar Bautista Luis Antonio Salazar Licea
Miguel Ángel Bacilio Rodríguez
Revisión de Formato Rodrigo Escobar Díaz-Guerrero
Conrado Vargas Cabrera Alejandro de León Cuevas Ángel Juárez Buenrostro
Soporte Técnico Carlos Alberto Ramos Arreguín
Juan Carlos Moya Morales Ma. Del Carmen García López
Ubaldo Geovanni Villaseñor Carrillo
LA MECATRÓNICA EN MÉXICO, Año 2, No. 1, Enero - Abril 2013, es una publicación cuatrimestral editada por la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., Calle Fonología No. 116, Col. Tecnológico C.P. 76158, Querétaro Qro. Tel.(01- 442) 224 0257. www.mecamex.net/revistas/LMEM/ , Editores responsables: Juan Manuel Ramos Arreguín y José Emilio Vargas Soto. Reserva de Derechos al uso exclusivo No. 04-2012-092010534100-102 otorgado por el Instituto Nacional del Derecho de Autor. Responsable de la última actualización este número: Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C., José Emilio Vargas Soto, Calle Fonología No. 116, Col. Tecnológico C.P. 76158, Querétaro Qro. Fecha de terminación de impresión: 12 de Marzo del 2013. Las opiniones expresadas por los autores de los artículos no reflejan la postura de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. Esta revista es una publicación de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., la cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre y cuando los trabajos estén apropiadamente citados, respetando la autoría de las personas que realizaron los artículos.
PROLOGO
Las actividades científicas y académicas en los últimos años han permitido una creciente evolución del
conocimiento como no habíamos tenido antes en la historia de la humanidad. Cada vez es más complejo
realizar una búsqueda de tópicos especializados, debido principalmente a la gran cantidad de información que
podemos encontrar y que no necesariamente nos será de utilidad.
Está claro que los avances en las tecnologías de la Información contribuyen a facilitar la tarea de
búsqueda de información específica, selección y almacenamiento. Sin embargo, al mismo tiempo se desborda
una gran cantidad de información, dificultando precisamente su clasificación y análisis.
Con el propósito de difundir y facilitar el intercambio de conocimientos vinculados con la
investigación y el desarrollo de las tecnologías afines a la Ingeniería Mecatrónica surge ésta revista. El
ejemplar que tienes en tus manos es un esfuerzo que realiza la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.
para dar a conocer a la sociedad los nuevos conocimientos y avances logrados en diversos tópicos de la
Ingeniería Mecatrónica. Espero que la revista contribuya en lograr la comprensión y aplicación de dichos
conocimientos con el propósito de mejorar la calidad de vida en la sociedad.
Confío firmemente en que los temas expuestos en esta edición sean elementos de inspiración para
innovar nuevos productos, procesos o servicios.
Disfrútalos.
Dr. José Emilio Vargas Soto
Fundador
Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.
ÍNDICE
Aplicaciones de la Lógica Borrosa al Control de un Dispositivo Robótico Didáctico de Evasión de Obstáculos y Buscador de Luz. 1 Rocha Morales Jesús Ángel, Jiménez López Eusebio, Núñez Pérez Eduardo, Reyes Ávila Luis, Luna Acosta Noé, Urbalejo Contreras Arturo, Grijalva Mireles Pedro, Madrid Amarillas Germán. Sistema de Telemando Multiplataforma para Robot Móvil. 11 Vargas Cabrera Conrado, Ramos Arreguín Carlos Alberto, Moya Morales Juan Carlos, García López María del Carmen. Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador. 21 Gutiérrez Arias José Eligio Moisés, Rugerio Escalona Rosa María, Morín Castillo María Montserrat. Automatización del Proceso de Embutido Profundo/Semi-profundo. 33 Álvarez Zapata L. A., Sandoval Pineda J. M. y Flores Herrera L. A.
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, páginas 1 � 10, Enero 2013 Disponible en línea en www.mecamex.net/revistas/LMEM ISSN en trámite, © 2012, Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C.
1
Aplicaciones de la Lógica Borrosa al Control de un Dispositivo Robótico Didáctico de Evasión de
Obstáculos y Buscador de Luz
Rocha Morales Jesús Ángel 1, Jiménez López Eusebio2, Núñez Pérez Eduardo3, Reyes Ávila Luis4, Luna Acosta Noé5, Urbalejo Contreras Arturo6, Grijalva Mireles
Pedro7 y Madrid Amarillas Germán8
1,3Universidad La Salle Noroeste
2ULSA Noroeste - CINNTRA de la UTS � IIMM 4Instituto Mexicano del Transporte - IIMM
5,6,8CIAAM de la Universidad Tecnológica del Sur de Sonora (UTS) 7Moctezumaspeakers
Recibido: 15 / Diciembre / 2012. Aceptado: 14 / Enero / 2013. Publicado: 31 / Enero / 2013. © 2012 Rocha Morales Jesús Ángel, et. Al. Este es un artículo de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica, el cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre que el trabajo original esté apropiadamente citado. La revista cuenta con el Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012-092010534100-102.
Resumen. En este artículo se presenta el diseño, la fabricación y el control de un robot evasor de obstáculos con una implementación para seguir la luz. El control del vehículo fue hecho con una técnica de la Inteligencia Artificial llamada Lógica Difusa o Borrosa (método de Mandami). Fueron colocados 3 sensores para la evasión de obstáculos y un sensor diferencial para la guía de la luz (Infrarrojos y fotorresistencias). Fue usado el Micro-controlador: PIC18F4550 para implementar el control del robot. Los actuadores usados para el movimiento del robot son dos motorreductores. El dispositivo robótico funcionó de acuerdo con el control diseñado, por lo que se puede concluir que el método de la lógica borrosa es útil y práctico en el control de vehículos evasores de obstáculos usados para propósitos didácticos. Finalmente, los resultados obtenidos pueden ser usados para la enseñanza de la mecatrónica. Palabras clave: Lógica Borrosa, Robótica Móvil, Educación en Ingeniería, Control.
1. Introducción. De acuerdo con [1], la Mecatrónica es una Ingeniería que integra tres campos principales del
conocimiento: la Mecánica, la Computación y la Electrónica. Para desarrollar los productos y los procesos, la Mecatrónica se auxilia de todas las tecnologías disponibles de sus tres campos primarios incorporando conocimientos de los campos secundarios, tales como las matemáticas, la manufactura, la inteligencia artificial, la robótica, entre otros [2]. La Mecatrónica es un campo de estudio relativamente nuevo. Inició formalmente a finales de los años 60 en Japón y en México tiene un poco
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Aplicaciones de la Lógica Borrosa al Control de un Dispositivo Robótico Didáctico de Evasión de Obstáculos y Buscador de Luz
2
más de dos décadas de haberse constituido como un campo de estudio formal. El poco tiempo que lleva la Mecatrónica en nuestro país hace que las empresas y las universidades no tengan un claro panorama de los grandes beneficios que se obtienen tanto en las aplicaciones industriales como en el proceso formativo de los estudiantes. En la actualidad, cuando menos en las licenciaturas de Ingeniería Mecatrónica, no se tiene una clara metodología de cómo enseñar o cómo proponer sistemas de aprendizaje para el estudio de la Mecatrónica. Cada programa de estudio y cada universidad manejan un perfil y una didáctica propia o bien imitan otros sistemas de enseñanza de universidades nacionales o extranjeras. Por otro lado, otro campo de estudio que tiene la misma problemática es la Inteligencia Artificial (IA). De hecho, de acuerdo con [3], la IA tiene algunos problemas en la enseñanza de la Ingeniería Mecatrónica como por ejemplo: la información es un poco confusa y carece de la difusión adecuada. Una amplia porción del material didáctico disponible trata el tema más a nivel técnico que al nivel ingenieril, haciendo de la Inteligencia Artificial una herramienta que hace más caso a la forma que al fondo. Cuando éste no es el caso, el material tiende a ser elevadamente teórico, dificultando así que el estudiante aterrice dichos conocimientos. El ingeniero que desee implementar una solución donde se aplique la Inteligencia Artificial debe de ser capaz de desarrollar en la medida del problema, siguiendo una metodología que le permita hacer esto sin correr el riesgo de lograr un resultado pobre, tardado o inclusive obsoleto. Además, algunas de las principales razones por las que se dificulta el aprendizaje en estos campos del conocimiento son, por ejemplo, la poca o nula relación que el alumno encuentra entre estas materias y el campo laboral en el cual buscan desarrollarse, así como la apariencia tan abstracta con las que se presentan dichas materias en los salones de clase. Para que la Inteligencia Artificial pueda ser más difundida y aceptada por los alumnos de Ingeniería, es necesario que existan diversas aplicaciones en las que las redes neuronales, los algoritmos genéticos y la lógica difusa puedan ser vistas en la solución de problemas prácticos [4]. Los dispositivos móviles como carritos evasores de obstáculos son ampliamente usados en la didáctica para poner en práctica las aplicaciones de la IA. Por ejemplo, en [3,5] se ha aplicado la lógica borrosa para diseñar el sistema de control de dispositivos móviles y simuladores que evaden obstáculos.
Para continuar con los avances dados en [3,5] relacionados con las aplicaciones de la IA en la
robótica móvil, en este artículo se presenta el desarrollo de un dispositivo robótico móvil el cual evade obstáculos mediante la colocación de sensores y al mismo tiempo sigue la mayor intensidad de luz. El control del dispositivo es diseñado aplicando lógica borrosa. El objetivo es generar aplicaciones de la AI en proyectos didácticos con la finalidad de que los alumnos se motiven y le encuentren sentido al conocimiento teórico visto en los salones de clases.
2. Marco teórico.
En esta sección se describen algunas consideraciones básicas relacionadas con la lógica borrosa o difusa.
2.1 Algunas consideraciones sobre la Lógica Difusa (Mandami). El control por proceso difuso fue primero exitosamente logrado por Mandami (1976) con la
implementación de un sistema difuso para controlar una planta de cemento. Desde entonces, el control difuso ha sido extensamente aceptado, primero en Japón y después alrededor del mundo.
Esta metodología acepta números como entradas, después traslada estos términos numéricos
a términos lingüísticos (como Lento, Medio y Rápido), llamado borrosificación (fuzzification). Las reglas después asignan los términos lingüísticos de entrada a salidas similares. Finalmente los términos lingüísticos de salida son trasladados a términos numéricos, conocido como desborrosificación (defuzzification). La metodología para un control difuso según Mandami es la siguiente [6]:
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Aplicaciones de la Lógica Borrosa al Control de un Dispositivo Robótico Didáctico de Evasión de Obstáculos y Buscador de Luz
3
Paso 1. Entradas difusas. Tomar las entradas y determinar el grado por el cual pertenecen a un conjunto difuso. La entrada es un valor numérico y el resultado es un valor de pertenencia en el conjunto
lingüístico (siempre un valor en el intervalo 0 a 1).
Paso 2. Aplicar el operador difuso. Si existen múltiples partes en el antecedente, se aplican operadores de lógica difusa y se
resuelve el antecedente a un único número entre 0 y 1. Éste será el grado de soporte para la regla.
Paso 3. Aplicar el método de implicación El consecuente de una regla difusa asigna todo un conjunto difuso a la salida. El conjunto
difuso está representado por una función de pertenencia que es escogida para indicar las cualidades del consecuente.
Si el antecedente sólo es parcialmente cierto, (Ej. si se asigna un valor menor que 1), entonces el conjunto lógico de salida es truncado de acuerdo al método de implicación.
Paso 4. Agregar todas las reglas En general, una regla por sí sola no sirve de mucho. Se necesitan dos o más reglas que
puedan complementarse una con otra. La salida de cada regla es un conjunto difuso. Los conjuntos de salida difusos para cada regla luego son agregados en un solo conjunto
difuso de salida. Finalmente el conjunto resultante será desborrosificado o resuelto en un número.
3. Metodología. En esta sección se presenta la metodología por medio de la cual se desarrolla el robot móvil y su control. Esto es [7]: 1.- Definir funcionamiento general.
2.- Definir entradas y salidas 3.- Diseño de sensores
3.1.- Ajustes de salida de señal a un estándar 3.2.- Diseño del circuito de ajuste.
4.- Desarrollar lógica borrosa 5.- Construir esqueleto del programa en MATLAB 6.- Diseñar el programa para el PIC18f4550
6.1.- Configuración del ADC y PWM 6.2.- Adaptar el esqueleto del MATLAB para el lenguaje del PIC 6.3.- Depurar y hacer pruebas con el dispositivo completo
7.- Diseñar el circuito del Puente H 8.- Construcción de los circuitos impresos. 9.- Fabricación del chasis y estructuras mecánicas 10.- Ensamble de los subsistemas
4. Resultados.
4.1. Desarrollo
Para que el robot móvil buscador de luz funcione, es necesario establecerlo como un sistema autónomo y definir sus partes principales, entrada, sistema de control o procesamiento, y sistema de salida o actuadores. Éste debe percibir su entorno y en base a esto tomar decisiones para así cumplir con su objetivo.
La MecaAplicacio
4
Psubsistesta msignificel semproximmotorr
4
Bprincipla batecontrol
4
y uno mostra
PP
MathemresultaLDR y
atrónica en Méxicones de la Lógica
4.2. Diseño d
Para un fácil temas que lo
manera si secativa. La figumicírculo es
midad, los óveductores qu
4.3 Sistema
Básicamente al en la estru
ería que sirvel.
4.4 Sistema
Este disposities un detecto
ado en la figur
Para el sensoPor otro ladomatica difere
ado la gráficael eje Y el vo
co, Vol. 2, No. 1,a Borrosa al Con
del dispositiv
rediseño delo componen ae modifica unura 1 muestra
el soporte dalos verdes e imparten el
Fi
mecánico
el sistema muctura del siste de fuente d
de sensores
ivo cuenta coor de luz difera 2.
Fig
or de luz se uo, para deterntes áreas de
a mostrada enoltaje de salid
Enero 2013 ntrol de un Dispo
vo
l robot, en caa parámetrosn subsistemala estructura
de los sensorepresentan
l movimiento.
gura 1. Estruc
mecánico contema, en el cde energía, s
s
on 4 sensoreserencial. Los
gura 2. Senso
tilizó un arregrminar los vae los comporn la figura 4 ca.
ositivo Robótico D
aso de algunas normalizadoa, esto no afa del dispositivores, los treel sensor d
ctura básica d
nsta de un ccual se sujetasensores y lo
s, de los cualde proximida
or Infrarrojo GP
glo de LDR y alores de lasrtamientos decomo la más
Didáctico de Eva
a modificacióos de entradafecta a las dvo, donde el r
es rectángulode luz, y los
del dispositivo
chasis rectanan los actuadoos circuitos e
les 3 son senad son el GP2
P2Y0A21YK0F
resistencias cs resistenciase diferentes vestable. Los
asión de Obstácu
ón, se optó pas y salidas ddemás parterectángulo reos rojos son
rectángulos
o.
ngular, el cuaores (motorreelectrónicos p
nsores de pro2Y0A21YK0F
F.
como se mues, se graficarvalores y arreejes X y Z, re
ulos y Buscador d
or estandarizde los mismo
es de una mepresenta el c los sensore naranjas so
al sirve de soeductores de para el sistem
oximidad infraFde Sharp co
estra en la figron en el sofeglos, dando epresentan la
de Luz
4
zar los os. De
manera chasis, es de on los
oporte C.D.),
ma de
arrojos omo el
ura 3. ftware como
as dos
La MecaAplicacio
L
D
4
salida dispossalidaspara la
SL: SeSI: SenSM: SeSD: SePWM_PWM_DPI: BDNI: BDND: BDPD: B
atrónica en Méxicones de la Lógica
La función qu
Donde la con
4.5. Sistema
Éste se encaa los actuaditivo dispone
s digitales, disas entradas y
ensor de Luz. nsor de proximensor de proxensor de prox_D: PWM para_I: PWM para it de direcciónit de direcciónBit de direccióBit de direcció
co, Vol. 2, No. 1,a Borrosa al Con
Figura 4
ue rige compo
nstante -2.5 es
de control
arga de analdores. Para e
de diversas spositivos PWsalidas del d
midad izquierximidad medioximidad dereca el motor derel motor izqu
n positiva del n negativa deón negativa dón positiva de
Enero 2013 ntrol de un Dispo
Figura 3. C
4. Gráfica de c
ortamiento de
s agregada p
izar la entradesto se utilizacaracterística
WM y disposispositivo, do
rdo. o.
cho. recho. uierdo.
motor izquieel motor izquieel motor dere
el motor derec
VCC
5V
R
10
R
10
ositivo Robótico D
Circuito senso
comportamien
el sensor es la
or medio de s
da suministraa un micro-cas que lo hasitivo ADC. Lande se aplica
rdo. erdo. echo. cho.
LDR1
R2
k
R1
k
LDR2
Didáctico de Eva
or de luz.
nto del sensor
a siguiente:
software.
ada por los scontrolador Pacen versátil ya figura 5 mua la siguiente
Salida
asión de Obstácu
r de luz.
.
sensores, proPIC18F4550 dy de uso genuestra el diagnomenclatura
ulos y Buscador d
ocesarla y dade Microchipnérico, tales grama de cona.
de Luz
5
ar una . Este como: nexión
La MecaAplicacio
4
controlactuadcircuitodos puentrada
4
motorrotro. Evelociddonde separa
atrónica en Méxicones de la Lógica
4.6 Controla
Este sistema l, así como
dores, en esto tipo puente uentes H conas de control
4.7 Actuador
Este sistemaeductores de
El sistema de dad y la direc
VL es la vación efectiva
co, Vol. 2, No. 1,a Borrosa al Con
Figura 5.
dor de moto
es el encarginterpretar late caso los mH, en este ca
n suministro compatibles
res.
a se encarge corriente dirgiro es el llamción de giro delocidad del entre los mo
Enero 2013 ntrol de un Dispo
Conexión de
ores.
gado de sumias órdenes dmotorreductoaso se utilizó de corriente con TTL de 5
Figura
ga de dar recta, conectmado !sistemde los motore
motor izquietores, R es e
SL
SI
SM
SD
PWM_D
PWM_I
DPI
DNI
ositivo Robótico D
entradas y sa
inistrar la potde encendidores de C.D.un circuito inde hasta 2A
5V (ver figura
a 6. Integrado
movimiento tados a dos r
ma de giro difees determinanerdo, VR esl radio de giro
PIC18F4550
VDD2
RB0
RB1
RB2
RA2
RB3
RA1
RB4
RB5
RB6
MCLR
VEE2
RD7
RD6
RB7
RD5
RD4
RA0
RA3
RA4
RA5
RE0
RE1
RE2
VDD1
VEE1
OSC1
OSC2
RC0
RC1
RC2
VUSB
RD0
RD1
RC7
RC6
RC5
RC4
RD3
RD2
Didáctico de Eva
alidas del PIC1
tencia a la seo, apagado,
El controladntegrado llamaA por puente 6).
L298.
al dispositiruedas posicerencial!, el cn la trayectoris la velocidado, y ICR es el
DPD
DND
asión de Obstácu
18F4550.
eñales de saldirección y v
dor de motorado L298, el
e y voltaje a
ivo robótico.cionados opuecual por mediia del disposid del motor l centro de ro
ulos y Buscador d
lida del sistemvelocidad paes es el concual trae inte
arriba de 46V
Consta deestamente unio del cambioitivo. (Ver figu
derecho, L tación instant
de Luz
6
ma de ra los nocido egrado V, con
e dos no del o de la ura 7), es la
táneo.
La MecaAplicacio
4
interprepor meencarg
4
then!, y
membrdisponpor últiproximmuestr
atrónica en Méxicones de la Lógica
4.8 Diseño d
El sistema detarlas y tomedio de los
gado del proce
4.9. Diseño d
El sistema dy dos salidas
En el métodrecía, que vaen de una miimo el sensor
midad, la figurra la función d
Ta
co, Vol. 2, No. 1,a Borrosa al Con
del software
de control es ar una decisiactuadores sesamiento. P
del sistema d
ifuso seleccio(ver figura 8)
o de Lógica arían según laisma función r de luz con ora 9 muestrade membrecía
abla 1. Nomen
Se
L
M
C
Enero 2013 ntrol de un Dispo
Figura 7. Sis
control
el encargadión en base ase trasformarara ello se ut
difuso.
onado dispon).
Figura
Difusa Manas característde membrecíotra función m la función da para el sens
nclatura para l
ensor Proxim
L Lejos
M Medi
C Cerc
ositivo Robótico D
stema de giro
do de recibir a los resultadrá en un restiliza un algori
ne de cuatro
a 8. Sistema D
ndami, cada ticas de las mía, los sensormás. La tablade membrecíasor de luz.
a función de m
midad Se
s M
o I
a D
Didáctico de Eva
diferencial.
las señales dos, y así darsultado físicoitmo represen
entradas, un
Difuso
entrada y samismas. En eres de proxima 1 muestra laa de los sen
membrecía de
ensor Luz
Medio
Izquierda
Derecha
asión de Obstácu
de los sensr una salida qo. El softwarentativo de un
n sistema ba
alida disponeeste caso los
midad cuentanas característnsores infrarro
e los sensores
ulos y Buscador d
sores, procesque posteriorme de control sistema difus
sado en regl
e de funcions motores (san con otra funticas del sensojos y la figu
s.
de Luz
7
sarlas, mente es el
so.
as !if-
es de alidas) nción y sor de ura 10
La MecaAplicacio
L
los act
Pmedio el apén
atrónica en Méxicones de la Lógica
La tabla 2 muuadores. Esto
T
Por otro lado,del operador ndice A.
co, Vol. 2, No. 1,a Borrosa al Con
Figura 2.9. F
Figura 2.
uestra las caro es:
abla 2. Nomen
NA
NB
A
PB
PA
Figura
, la base de c!And". Las co
Enero 2013 ntrol de un Dispo
Función de m
10. Función d
acterísticas d
nclatura para
Motores
A Negativ
B Negativ
Apag
B Positivo
A Positiv
a 11. Función d
conocimientoondiciones o
ositivo Robótico D
embrecía de l
e membrecía
de las salidas
la función de
s
vo Alto 0
vo Bajo 0
gado 0
o Bajo 0
vo Alto 0
de membrecía
está formadacombinacion
Didáctico de Eva
los sensores i
para el senso
y la figura 11
membrecía de
Hexadecima
MI MD
0X10 0X0
0X20 0X0
0X30 0X0
0X40 0X0
0X50 0X0
a para los mot
a por una series se pueden
asión de Obstácu
infrarrojos.
or de luz.
1 la función de
e los motores
l
D
01
02
03
04
05
tores.
e de condicion ver en la tab
ulos y Buscador d
e membrecía
s.
ones !If-Then"bla 3, mostrad
de Luz
8
a para
", por da en
La MecaAplicacio
4
sistemsiguien
PentradaPWM. que seentradacompocentroialgoritmautóno
atrónica en Méxicones de la Lógica
4.10 Diseño
El algoritmo, a difuso, así nte muestra la
Primeramenteas y salidas.Luego, el pro
e repita. En elas leídas y
osición de sumide se obtienmo inicia nueomo de lazo c
co, Vol. 2, No. 1,a Borrosa al Con
del algoritm
es el códigocomo el ajus
a secuencia q
Fi
e el micro-c Posteriormeograma entra ciclo se leenajustadas, s
ma, la inferene la salida, pevamente a
cerrado. Final
F
Enero 2013 ntrol de un Dispo
o
del programste de las se
que sigue el p
igura 12. Diag
controlador dente debe coa en ciclo infin los sensoresse prosigue ncia de produ
pero es necespartir de la mente la figu
Figura 13. Con
ositivo Robótico D
ma, el cual se eñales de entprograma para
rama de flujo
debe configuonfigurar los nito en dondes y se ajustancon la borroucto y la dessario su ajustlectura de l
ra 13 muestra
nfiguración de
Didáctico de Eva
encarga detrada y de laa el micro-con
del programa
urar los perimódulos espe se incrusta
n a los valoresosificiación. Esborrosificacióte a PWM yas entradas,a el dispositiv
el robot móvil
asión de Obstácu
e encapsular as salidas. Elntrolador.
a.
iféricos y especiales, comará el algoritms deseados. TEl siguiente ón de centroy dirección a , convirtiéndovo robótico co
ulos y Buscador d
la metodolog diagrama de
stablecerlos mo es el ADCmo que se reqTeniendo todpaso es hacide. Por medcada motor.
olo en un sionstruido.
de Luz
9
gía del e flujo
como C y el quiere
das las cer la
dio del Así el stema
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Aplicaciones de la Lógica Borrosa al Control de un Dispositivo Robótico Didáctico de Evasión de Obstáculos y Buscador de Luz
10
5. Conclusiones
En este artículo se ha usado la lógica borrosa para diseñar el control de un dispositivo evasor de obstáculos. Las conclusiones derivadas de este trabajo se resumen en los puntos siguientes:
1) El dispositivo funcionó adecuadamente, esto es, evade obstáculos y sigue la mayor intensidad de luz, por lo que es posible afirmar que la lógica borrosa es útil y práctica para el diseño y control de dispositivos móviles.
2) Fue posible una buena adecuación del algoritmo de lógica borrosa al lenguaje del micro-controlador, por lo que tuvo un buen rendimiento y velocidad de reacción.
3) La versatilidad del micro-controlador utilizado, facilita la implementación de este tipo de dispositivos, así como una fácil adecuación de los algoritmos no sólo de lógica borrosa sino también de otras ramas de la inteligencia artificial.
4) La adecuación de los circuitos diseñados a los estándares TTL de 5v y baja potencia, facilita el acoplamiento de diferentes subsistemas en el producto terminado, como en el caso de los sensores y la etapa de potencia.
5) El robot puede ser usado para la motivación y la enseñanza de la Mecatrónica y de la Inteligencia Artificial.
Referencias [1] Bishop, R. The Mechatronic Handbook. Crc Press Washington D.C. (2002) [2] Reyes L., Jiménez E., Olvera E., Vázquez I., Mendiola E., Rivera J., López F., Delfín J., Urbalejo
A. Aplicaciones del álgebra hipercompleja a la modelación y simulación de un robot paralelo planar de 3GDL tipo RRR. La Mecatrónica en México, Vol 1. No 1. Pag. 1-11. Asociación Mexicana de Mecatrónica. (2012).
[3] Madrid G., Jiménez E., Reyes L., E., Luna N. Diseño e implementación del sistema de control de un dispositivo móvil evasor de obstáculos usando lógica borrosa. 9º Congreso Nacional de Mecatrónica, Octubre 13 al 15, 2010. Puebla, Puebla. (2010).
[4] Sánchez C., Nelson E. Alanís A. Redes neuronales Conceptos fundamentales y aplicaciones a control automático, Editorial Prentice Hall. Edición Primera. Fecha publicación. Madrid, España. (2006)
[5] Madrid G., Luna N., Jiménez E., Núñez E., Orduña F. Desarrollo de un simulador para prototipo de vehículo evasor de obstáculos usando lógica borrosa. 10º Congreso Nacional de Mecatrónica, Noviembre 3 y 4, Puerto Vallarta, Jalisco. (2011).
[6] William Siler and James J. Buckley Fuzzy Expert System and Fuzzy Reasoning. WILEY-INTERSCIENCE (2005).
[7] Rocha J., Jiménez L., Núñez E., Luna N., Reyes L. Desarrollo de una metodología para el control de dispositivos móviles para propósitos didácticos usando lógica borrosa. Informe Interno de Investigación. RED ALFA-IIMM-ULSA Noroeste. ISBN en trámite. (2013).
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, páginas 11 � 20, Enero 2013 Disponible en línea en www.mecamex.net/revistas/LMEM ISSN en trámite © 2012, Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C.
11
Sistema de Telemando Multiplataforma para Robot Móvil
Vargas Cabrera Conrado, Ramos Arreguín Carlos Alberto, Moya Morales Juan Carlos y García López María del Carmen
Universidad Autónoma de Querétaro, Facultad de Informática
Cuerpo Académico de Cómputo Científico y Tecnológico
© 2012 Vargas Cabrera Conrado, et. Al. Este es un artículo de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica, el cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre que el trabajo original esté apropiadamente citado. La revista cuenta con el Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012-092010534100-102.
Resumen. El mando a distancia o Teleoperación en robots móviles inalámbricos presenta grandes inconvenientes al decidir el protocolo de comunicación con el cual serán controlados. Los principales problemas son el tiempo de respuesta, distancia de transmisión, costo, y la interferencia entre canales. La aparición de nuevas tecnologías y protocolos de comunicación, ayudan a elegir un eficaz y eficiente sistema de telecontrol. Algunos módulos más utilizados son: xBee, Bluetooth, radio control RF y Wi-Fi. El objetivo de este trabajo es desarrollar e implementar un sistema de telemando inalámbrico para controlar un robot móvil, utilizando el protocolo de comunicación OSC sobre Wi-Fi, así mismo, se interactúa con distintos dispositivos móviles y una FPGA. El sistema consta de la interfaz de control en el dispositivo móvil, el vehículo robótico, y el módulo de comunicación sobre Wi-Fi. Palabras clave: Telemando, OSC, Wi-Fi, FPGA, iOS, Android, iPhone, iPod, iPad, Robot Móvil.
1. Introducción.
En los últimos años, las comunicaciones inalámbricas se han convertido en líder de los
sistemas de envío y recepción de datos a distancia. La tecnología inalámbrica ofrece capacidades de movilidad a los usuarios, sustituyendo las limitantes de una conexión física por cable. Hoy en día, existen en el mercado innumerables dispositivos con conexiones inalámbricas basados en distintos protocolos de comunicación como lo son: Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, GSM, etc. Debido a lo anterior, es necesario realizar una adecuada elección del protocolo, dependiendo de las necesidades de operación del usuario. El IEEE define los protocolos de comunicación entre redes de ordenadores bajo el estándar 802. Asignando a la tecnología Wi-Fi (WLAN) el protocolo 802.11 el cual opera en el rango de frecuencia de 2.4 GHz a 5 GHz. El protocolo 802.15.4 define las comunicaciones ZigBee (PAN) con frecuencia de trabajo de 900 MHz a 2.4GHz. El estándar de Red de Área Personal Inalámbrica (WPAN) define las comunicaciones inalámbricas para Bluetooth bajo el protocolo 802.15, trabaja en el rango de frecuencias 2.4 GHz a 2.48 GHz [1].
El presente artículo describe el desarrollo de aplicaciones para enviar y recibir datos, a través
de los protocolos de comunicación inalámbrica Wi-Fi y ZigBee, y los servicios que ofrecen en distintos sistemas operativos, así como en hardware embebido y dispositivos móviles, implementado en el telemando de un robot móvil. Una de las ventajas al desarrollar un sistema de telemando, es que el
La Mecatrónica en México, Vol. 1, No. 1, Septiembre 2012 Sistema de Telemando Multiplataforma para Robot Móvil
12
usuario tiene la posibilidad de elegir entre diversos dispositivos para operar el sistema, así como el protocolo de comunicación para la transferencia de datos. Actualmente existen dispositivos móviles que con recursos de hardware y software permiten comunicarse utilizando distintos protocolos de comunicación, así mismo, poseen sensores (acelerómetros, giroscopios, sensor de proximidad) disponibles para el desarrollador, basados en diferentes tecnologías. La potencia de tener un sistema operativo en teléfonos celulares y tabletas, permite adecuar controles de mando basados en interfaces gráficas, control de movimiento por medio de acelerómetros, y procesar instrucciones de control en aplicaciones nativas del dispositivo móvil.
Los sistemas operativos iOS de Apple y Android de Google presentes en teléfonos inteligentes
y tabletas (Tablets), permiten la interacción del hardware presente en ellos, con sistemas embebidos y dispositivos programables como Arduino y FPGA, entre otros, por medio de comunicación Wi-Fi y Bluetooth.
En el sistema de telemando se describe las ventajas y desventajas que ofrecen los distintos
protocolos en comparación a la respuesta obtenida por los microcontroladores. El tiempo de respuesta, distancia de transmisión, costo, tasa de transferencia de datos y la interferencia entre canales, son los aspectos a evaluar para elegir un eficaz y eficiente sistema de telecontrol.
1.1 Antecedentes Wright, (2002) presenta las especificaciones del protocolo OSC (Open Sound Control), donde
describe el protocolo como mecanismo de transferencia de datos, desarrollado para la comunicación entre computadoras, sintetizadores de audio y dispositivos multimedia.
Schmeder, (2008) desarrolla el protocolo uOSC, en su trabajo, describe la implementación del
protocolo OSC, para un microprocesador embebido, comunicado mediante cable USB bajo el protocolo serial.
Curiel Razo, (2010) implementa una red de sensores inalámbricos de tipo Ad-hoc, utiliza el
protocolo de comunicación ZigBee para la transferencia de datos. En su trabajo describe como logra implementar el monitoreo en tiempo real de la temperatura interior y exterior de un edificio.
Pérez Arreguín, (2011) desarrolla un robot móvil de tracción diferencial, donde implementa el
protocolo ZigBee para comunicarse inalámbricamente al robot. Diseña una interfaz gráfica desarrollada en Visual Basic, lo que permite al usuario manipular el robot, por medio de los cursores del teclado de la computadora.
2. Metodología.
2.1 Protocolo OSC. Open Sound Control (OSC) es un protocolo de comunicación entre computadoras,
sintetizadores de sonido y dispositivos multimedia (Wright, 2002). Hoy en día el protocolo OSC se ha desarrollado como librerías, para muchos lenguajes de programación. OSC es un protocolo de alto nivel, designado en un modelo cliente/servidor. Los datos transferidos se agrupan en una unidad llamada paquete. La unidad básica de datos OSC se llama mensaje y tiene la siguiente estructura:
address pattern (dirección patrón). Es una cadena OSC que comienza con el carácter !/". Type tag string (tipo de cadena). Es una cadena OSC que comienza con el carácter !," seguido de una secuencia de caracteres que corresponden al argumento del mensaje OSC. Los tipos de cadena más utilizados son: !i" que representa a un entero de 32 bit, !f" que representa a un valor flotante de 32 bits, y !s" que representa a una cadena de texto (Wright, 2002).
La Mecatrónica en México, Vol. 1, No. 1, Septiembre 2012 Sistema de Telemando Multiplataforma para Robot Móvil
13
2.2 iOS - XCode. iOS es el sistema operativo para dispositivos móviles de Apple. La arquitectura de este sistema
operativo es similar a la de Mac OSX. iOS funciona como un intermediario entre el hardware presente en el dispositivo móvil y las aplicaciones que se observan en pantalla. La implementación de la tecnología iOS se distingue por niveles, donde el nivel más bajo contiene los servicios fundamentales para la ejecución de las aplicaciones. En el nivel más alto se implementan los servicios que interactúan con el usuario. Estos niveles consisten en un grupo de frameworks, los cuales proveen los objetos y clases necesarios para la construcción de aplicaciones nativas del sistema operativo.
2.3 Android SDK y Android Processing. Android es el sistema operativo para dispositivos móviles de la compañía Google, está basado
en el kernel de Linux. Para la creación de aplicaciones Android se utiliza el SDK, que se ejecuta bajo la herramienta
de desarrollo Eclipse, así como en la plataforma Processing. Processing es un entorno de desarrollo y al mismo tiempo es el nombre del lenguaje de programación, y está desarrollado bajo java, con lo cual es compatible para la creación de aplicaciones Android (© Google, 2012).
3. Desarrollo El sistema consta de dos unidades principales, la interfaz de control contenida en el dispositivo
móvil y la unidad del vehículo robótico, conectados por los protocolos de comunicación WiFi y zigBee. Funciona bajo el modelo cliente-servidor, donde las interfaces de control toman el papel de cliente, ya que son las que envían los datos a través de la red, y la unidad del vehículo robótico se desarrolla como servidor para procesar los datos adquiridos. Para el óptimo manejo y control del robot móvil se diseñaron diferentes interfaces, uno para cada dispositivo móvil, construido en una aplicación nativa de su sistema operativo. Teniendo así, tres distintas aplicaciones divididas de la siguiente manera: aplicación exclusiva para iPod/iPhone, aplicación para iPad y aplicación para Android.
A continuación se describe el proceso del desarrollo de cada aplicación, como también el
diagrama de comunicación entre el dispositivo móvil y el robot. 3.1 Desarrollo de la aplicación para iPod. La aplicación !OSC Control Car iPod" se desarrolla para poder ser utilizado en los siguientes
dispositivos: iPod Touch 3G, iPod Touch 4G, iPhone 3GS, iPhone 4, iPhone 4S con sistema operativo iOS 5.0 o posterior. El procedimiento para desarrollar esta aplicación, se describe de la siguiente manera:
1. El primer paso en la construcción de la aplicación, consta en crear un proyecto nuevo basado
en la plantilla !Single View Application", ya que proporciona las clases y frameworks indispensables para ejecutar la aplicación en el dispositivo, así mismo, es la base para construir los objetos y clases posteriores que se requerirán dentro de la aplicación.
2. Posteriormente se importan los frameworks VVOSC2 y Accelerometer.
3. A continuación se obtiene la dirección IP y el número de puerto UDP al cual se transferirán los datos.
4. Se crea un objeto OSC. En este paso se manda a llamar al manejador del protocolo OSC, el cual carga en el objeto creado la dirección IP y el número de puerto UDP. Así mismo, se crea un objeto acelerómetro, al cual se le asigna la propiedad de leer el valor del sensor en un intervalo de 0.1 segundos.
La MecaSistema
5. St
A
d
6. S
7. Sp
8. L
3 L
disposdesarromás ladesarro
S
desarroSe obtdonde aplicacobjeto proced
atrónica en Méxicde Telemando M
Se obtienen tipo OSC conOSCMessageAddress: /accValues: float
float afloat a
donde accela
Se inicializa l
Se envía el mproceso de e
El último paso
La figura 1, m
3.2 Desarrol
La aplicaciónitivos: iPad, iollar la aplicaa implementaollo para la ap
Siguiendo la ollo de la apltiene la direccse asigna la
ción. Si no exwebpage, po
dimiento desc
co, Vol. 1, No. 1,Multiplataforma p
los datos pron la siguiente e: accxyz celerometer acceleration.xacceleration.yaccelerarion.z
aration corres
a conexión W
mensaje OSCnvío de datos
o es cerrar la
muestra el dia
Figura 1. D
llo de la aplic
n !OSC ContrPad2, iPad3
ación del dispación de reciplicación !OS
metodología icación del dción URL para dirección Uxiste recepcióor el contrariocrito, hasta co
Septiembre 201para Robot Móvil
ocedentes de estructura:
x y z ponde a los v
Wi-Fi mediante
C que contiens, renovando
conexión Wi
grama del pro
Diagrama de la
cación para i
rol Car iPad" con sistema
positivo iPad,bir video por
SC Control Ca
de la figura ispositivo iPara la recepció
URL, este objn de video, so, si la recepncluir la meto
12 l
los aceleróm
valores de los
e el manejado
ne el valor delos valores o
-Fi cuando ya
oceso de des
a aplicación !O
iPad.
se desarrollaoperativo iO
, se utiliza lar streaming.
ar iPad".
1, se utilizanad. Posteriormón de video. jeto cargará
se intenta cargpción de videoodología.
metros. En es
s acelerómetr
or del protoco
e los acelerómbtenidos por
a no es reque
sarrollo de la
OSC Control C
a para poderOS 5.0 o posta metodología
A continuac
n los primerosmente se impA continuacióuna página w
rgar nuevameo es exitosa,
ste paso se cr
ros en los ejes
olo OSC.
metros. En eslos aceleróm
erida.
aplicación.
Car iPod".
r ser utilizadoterior. En el pa que se detión se descr
s 4 pasos paplementan losón se crea uweb dentro d
ente la direcc, se continua
rea un mensa
s x,y,z.
ste paso se cmetros.
o en los siguprocedimientoalla en la figribe el proce
ra el comienzs siguientes pn objeto webde una vista ión URL dent con el paso
14
aje de
cicla el
ientes o para ura 2, so de
zo del pasos. bpage,
en la tro del 5 del
La MecaSistema
Figur
3 L
tabletaaplicac
2
3
4
5
6
atrónica en Méxicde Telemando M
ra 2. Diagrama
3.3 Desarrol
La aplicaciónas con sistemción se descri
1. Primeramerecursos nimportar la
2. Se crea umismo se
3. A continualos datos.
4. Posteriormobtenidos estructuraOSCMessAddress: /Values: flo
floflo
donde acc
5. Se inicializ
6. Se envía compruebcontrario s
co, Vol. 1, No. 1,Multiplataforma p
a del procedim
llo de la aplic
n !OSC Contrma operativoibe a continua
ente se genenecesarios pas librerías O
un objeto OScrea un objet
ación se obtie
mente se madel sensor
a: sage: accxyz /accelerometeoat acceleratiooat acceleratiooat accelerariocelaration.x.y.
za la conexió
el mensaje ba si existe cose finaliza el p
Septiembre 201para Robot Móvil
miento de desaope
cación para A
rol Car" se deo Android 2.ación.
era un nuevopara poder exSCP53 y la c
SCP5, al cuato aceleróme
ene la direcci
nda a llamaracelerómetro
er on.x on.y on.z .z correspond
n Wi-Fi media
OSC que coonexión por Wproceso.
12 l
arrollo para laerativo Androi
Android.
esarrolla para2 o posterio
o proyecto Anxportar la ap
clase accelero
l se le pasartro para obte
ión IP y el nú
r el método Do. Se crea u
den a los valo
ante el objeto
ontiene el vaWi-Fi, de ser
a aplicación !Oid.
a poder ser utor. El proced
ndroid dentroplicación al dometerManaje
rán los parámner los datos
úmero de pue
Draw. En estun mensaje
ores de los ac
o OSCP5.
lor de los acpositivo se d
OSC Control C
tilizado en tedimiento par
o del SDK, edispositivo móer.java
metros del p del sensor.
erto UDP, al c
te paso se rede tipo OSC
celerómetros e
celerómetros.devuelve al m
Car" en el sist
léfonos celulaa desarrollar
l cual contienóvil. Se proc
protocolo OSC
cual se transf
enuevan los C con la sig
en los ejes x,
. En este pamétodo Draw,
15
tema
ares y r esta
ne los ede a
C. Así
ferirán
datos uiente
y,z.
aso se , de lo
La MecaSistema
3
progradistintodesarrodescrib
A
métodoenvió protoco
1.
ldl
2. Sme
3. PO
4. Sac
5. m
atrónica en Méxicde Telemando M
3.4 Program
El programamación Proce
os sistemas oollar el prograbe el diagram
A continuacióo de obtencióde datos a tolo de comun
El primer pasla aplicación datos con elelos métodos n
Se crea un omódulo xBeeescuchar men
PosteriormenOSCMessage
Se manda aanterioridad. correspondie
El último pasmétodo draw
co, Vol. 1, No. 1,Multiplataforma p
ma servidor e
servidor quessing. Una doperativos coama en Proce
ma del proceso
Fig
ón se descrión de datos ptravés del pu
nicación zigBe
so es crear un(Serial, OSC
ementos extenecesarios pa
objeto Serial. e. Así mismonsajes entran
nte se mandae, procedente
a llamar al mA continuac
nte al módulo
so consiste e, de lo contra
Septiembre 201para Robot Móvil
n processing
ue se descride las ventajaomo Linux, Messing, con loo de desarroll
gura 3. Diagra
ben los pasoprocedentes duerto serial dee.
n nuevo sketcCP54). La librnos de la coara el manejo
En este paso, se crea unntes por el nú
a a llamar aes del disposi
método Drawción se proceo Xbee.
n identificar srio se finaliza
12 l
g para recibi
ibe a continas de este SDMac OS, Wino cual se obtilo para la cre
ma de la aplic
os para desadel dispositivode la comput
ch e importar brería processomputadora. Po del protocolo
so se identificn objeto OSCmero de puer
al método Otivo móvil.
w. En este paesan los dat
si existen daa la conexión
ir datos OSC
uación y seDK es su versa
dows y Andriene un sistemación del pro
cación servido
arrollar el proo móvil. Así mtadora hacia
las librerías sing.serial pePor otra parteo OSC sobre
ca el puerto CP5, el cual rto UDP a est
SCEvent, do
aso se renutos y se env
atos sin enviaal puerto seri
C.
e desarrolla atilidad de seroid. Por tal ma multiplata
ograma servid
or.
ograma servmismo, se de
el robot mó
necesarias paermite la lecte la librería O
Wi-Fi.
serial COM se le asign
tablecer.
onde se recib
uevan los davían a través
ar, de ser posie.
en el entorner implementamotivo, se d
aforma. La figdor.
idor. Se detaetalla el proceóvil, por med
ara la ejecuctura y escritu
OSCP5, implem
correspondiea la propied
ben datos d
tos obtenidos del puerto
sitivo se reto
16
no de ado en decidió gura 3,
alla el eso de dio del
ión de ura de menta
ente al ad de
e tipo
os con serial
orna al
La MecaSistema
3
ampliasisteminalám(Compmás imcarro a
L
del recLa señcuandoseñaleseñal Dejecutatelema
diferencomun
L
con un
en la vEn unatravés
atrónica en Méxicde Telemando M
3.5 Robot m
El Lenguaje mente emplea digital embbrica. Los dis
plex Programmmportantes. Lanteriormente
Figu
Las señales dceptor inalámbñal P es la sao el carro se s MOT1 y MODR puede seando. La entidando, los cuál
RS232rx.vh pwm.vhd motor_ctrl.v
4. Pro
El proceso dncias dependnicar a cada u
La figura 5, mn sistema de r
El proceso sevista principal a segunda videl protocolo
co, Vol. 1, No. 1,Multiplataforma p
móvil en FPGA
de Descripceado en numbebido para spositivos promable Logic Da figura 4 mu
e mencionado
ra 4. Diagrama
de entrada sobrico X-Bee,
alida de un PWdirija hacia a
OT2 controlaner empleada dad principal es son:
hd
vhd
oceso de c
de comunicaciendo el dispno de los sist
muestra el deretroalimentac
e inicia cuandse ingresa la
ista de la apo OSC sobre l
Septiembre 201para Robot Móvil
A
ción de Hardmerosos siste
el control dogramados coDevice) y FPuestra el diago.
a General y m
on un RST maeste recibe loWM (Pulse Wadelante, hacn el sentido dpara ver el nconsta de 3
omunicaci
ción entre elpositivo móvitemas.
etalle de comción por video
do el usuario a dirección IPlicación, se tla tecnología
12 l
dware de muemas digitalede un carro on este lenguGA (Field Prorama de bloq
módulos princi
aestro y una os datos paraWidth Modulecia atrás, vuede giro y encenúmero recibmódulos prin
ión dispos
dispositivo ml a elegir. A
unicación ento streaming.
ejecuta la apP y el número transmiten loWi-Fi.
uy alta Veloces, por lo cumóvil tele-opuaje son: GAogrammable ques principa
ipales para el
señal de reloja el funcioname) para controlta a la izquie
endido/apagaido por RX yncipales para
sitivo móvi
móvil y el roA continuación
tre el disposit
plicación !OSC de puerto UDs datos obte
cidad (VHDLual, es posibperado a disAL (Generic A
Gate Array), l del sistema
control del ca
oj principal, la miento de los olar la velociderda o vueltado de los mo
y saber que i llevar a cabo
il ! robot m
obot, se presn se describ
tivo móvil iPa
C Control CaDP de la com
enidos por los
L), es un lenle implement
stancia de mArray Logic),
por mencionpara el contr
arro.
señal RX promotores del
dad de los moa a la derechaotores. Por últinstrucción seo dicho sistem
móvil.
senta con rele el proceso
ad y el robot
r iPad" en sumputadora sers acelerómet
17
nguaje tar un
manera CPLD
nar los rol del
oviene carro. otores a. Las timo la e está ma de
lativas o para
móvil,
u iPad, rvidor. tros, a
La MecaSistema
Figura
L
este pmismomódulopara reel cuatravés posibili
P
se instlas otrenviar modelase dibuconjunprocesFPGA datos r
atrónica en Méxicde Telemando M
a 5. Diagrama
La computadrograma, se , se crean no Xbee. Estaesponder de al ejecuta la adel protocolo
idad de toma
Para probar etaló la aplicacras dos apliclos datos obt
ado y simulacuja una caja qto de prueba
samiento de larefleja result
recibidos.
co, Vol. 1, No. 1,Multiplataforma p
del modelo d
dora ejecuta eimplementanuevos datos información
acuerdo a losaplicación IPWo Wi-Fi al iPar nuevas dec
el sistema de ción !OSC Coaciones. Comtenidos por elción de movimque se mueves, se basa enas instrucciontados deseab
Septiembre 201para Robot Móvil
e comunicacivid
el programa n instruccione
y estos sonse recibe en
s datos recibidWebCam, quad, cerrando isiones en el
5. Prueb
telemando seontrol Car iPomprobando al sensor del amiento de un e en base a ln analizar el tnes de controbles, dando m
12 l
ón iPad ! Robdeo streaming
servidor, el ces de contro enviados a
n la tarjeta Ardos. El robot ue es la encaasí el sistemcontrol del ro
bas y Resu
e dividió en dod" en tres diasí, el funcionacelerómetro.dispositivo ma informacióntiempo de resol para manipmenores tiem
bot móvil con g.
cual procesa l para la matravés del p
rduino o FPGmóvil esta eqargada de tr
ma de retroaliobot.
ultados
dos partes. Enspositivos difnamiento ade. En el mismo
móvil, como sen obtenida despuesta que oular el robot
mpos de retra
retroalimenta
los datos obanipulación dpuerto serial GA, que contiquipado con uransmitir vidementación, d
n el primer coferentes, se hecuado de lao grupo de pre puede obsee los acelerómofrece la FPGmóvil. Se obs
aso en el pro
ación por med
btenidos, denel robot móvcorrespondieenen un progun teléfono c
eo por streamdando al usua
onjunto de pruhizo lo mismoas aplicacionruebas se reaervar en la figmetros. El segGA, con respeservó que la t
ocesamiento d
18
dio de
tro de vil, así ente al grama elular,
ming a ario la
uebas, o para nes, al alizó el gura 6, gundo ecto al tarjeta de los
La MecaSistema
A
de compruebabanda retardoentre etransfeLa comparede
el uso (Open inalámdiversocomo eMac Oadecuecomun
S
un moFPGA.telemacual im
C
comunrespue
atrónica en Méxicde Telemando M
Así mismo, smunicación uas se realizaro
disminuye cos en la comuel dispositivo
erencia máximmunicación ees, y 100 metr
En este artícude distintas tSound Con
brica. Se deos dispositivoen programas
OS, Android, e a las neces
nicación sobre
Se desarrollódelo maestro Como se ob
ando descrito,mplica un reta
Como trabajnicación inaláesta entre disp
co, Vol. 1, No. 1,Multiplataforma p
Figura 6. Si
se realizaron utilizados, y eon con la infrcon el aumeunicación entro móvil y la ma de datos, entre móduloros en lugare
6.
ulo, se abordtecnologías y
ntrol), para etalla la imple
os móviles (iPs, que se pueiOS. Por tal
sidades del ue Wi-Fi, entre
ó un robot móo/esclavo. Pabserva en las, pero se mardo en el tiem
o a futuro sámbrico Bluepositivos, des
Septiembre 201para Robot Móvil
imulación de v
pruebas de lael tiempo deraestructura dnto de compre dispositivocomputadoray una distan
os xBee ofres abiertos.
Conclusio
ó un sistema y protocolos del manejo yementación dPod, iPhone, eden ejecutarmotivo se c
usuario. Se imdispositivos
óvil de traccióara la implems pruebas rentiene un pu
mpo de respue
se implementooth, mejora
saparecer el p
12 l
valores obten
a distancia erespuesta a
de comunicacputadoras cos. Posteriorm
a, lo que ofrecia efectiva dce un rango
ones y trab
de telemandde comunicacy transference estos protoiPad, teléfon
r en diversosconsiguió desmplementó el móviles, com
ón diferencial,mentación de
alizadas, los ente entre el esta.
tará un sisteando la tasapuente existe
idos por acele
efectiva que oal enviar y reción Wi-Fi queonectadas a mente se reali
ece un anchde 25 metroso de operació
bajo a futur
do para controción como lo
cia de datos ocolos, en enos celularess sistemas opsarrollar un s uso del prot
mputadoras y s
, el cual ejercla parte de cresultados s
dispositivo m
ema de telea de transfernte entre el d
erómetros.
ofrece el conjecibir datos. e ofrece la facla red, dandzó una conex
ho de banda s por medio dón de 30 m
ro
olar un robot son Wi-Fi, Z por medio l desarrollo d
s con SO Andperativos comsistema multitocolo OSC, sistemas emb
ce el rol de scontrol del roson eficientesmóvil, y el rob
emando sobrrencia de dadispositivo mó
unto de protoDebido a qu
cultad, el ancdo como resxión de tipo A
de 100 Mbdel protocolo
metros atrave
móvil. Se preZigBee, Xbee,
de comunicde aplicaciondroid, tablet!s
mo Windows, plataforma qcomo protocobebidos.
istema esclavobot, se utilizs en el sistembot a manipu
re el protocoatos, el tiempóvil y el robot.
19
ocolos ue las cho de ultado
Ad-hoc ps de Wi-Fi. sando
esenta , OSC cación
nes de s), así Linux, ue se olo de
vo, de zó una ma de ular, lo
olo de po de .
La Mecatrónica en México, Vol. 1, No. 1, Septiembre 2012 Sistema de Telemando Multiplataforma para Robot Móvil
20
La principal aportación de este trabajo es el desarrollo de una aplicación para dispositivos móviles, la cual utiliza un modelo de comunicación inalámbrica para comunicarse al robot. Se utilizó el protocolo de comunicaciones OSC (Open Sound Control) sobre el protocolo de red Wi-Fi, el cual permite una tasa de transferencia de datos alta y una mayor distancia entre los dispositivos móviles y el robot. Se presentan tres alternativas diferentes: un modelo de comunicación utilizando un iPod/iPhone y el robot móvil, una segunda alternativa utilizando un iPad que es retroalimentado mediante video por streaming, y por ultimo un sistema de comunicación utilizando un teléfono celular con sistema operativo Android.
7. Referencias
[1] H. Labiod, H. Afifi y C. De Santis; Wi-FiTM, BluetoothTM, ZigBeeTM and WimaxTM; Springer; ISBN: 978-1-4020-5397-9; Dordrecht, The Netherlands 2007.
[2] R. Troncoso; Electronicá Digital y Lógica Programable; Universidad de Guanajuato, 2a Ed.; ISBN:968-8644498; Guanajuato Mexico 2007.
[3] M. Aceves, R. Arreguin; Fundamentos de Sistemas Embebidos, Mediante Lenguajes Descriptivos de Hardware; Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.; ISBN 978-607-95347-4-5; Santiago de Querétaro, Querétaro 2012.
[4] Android Developer; Sensor Type; http://developer.android.com/reference/android/hardware/ Sensor.html#TYPE_ACCELEROMETER; última consulta 15/01/2012;
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, páginas 21 � 32, Enero 2013 Disponible en línea en www.mecamex.net/revistas/LMEM ISSN en trámite © 2012, Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C.
21
Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador
Gutiérrez Arias José Eligio Moisés, Rugerio Escalona Rosa María y Morín Castillo María Montserrat
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Facultad de Ciencias de la Electrónica.
[email protected], [email protected], [email protected]
© 2012 Gutiérrez Arias José Eligio M, et. Al. Este es un artículo de acceso abierto, distribuido bajo los de la Asociación Mexicana de Mecatrónica, el cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre que el trabajo original esté apropiadamente citado. La revista cuenta con el Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012-092010534100-102.
Resumen.
En este trabajo presentamos la planificación de la trayectoria de un robot limpiador como una combinación de trayectorias deseadas, el robot limpiador está provisto de dos ruedas activas y una pasiva. La deducción de las ecuaciones de movimiento no lineales son importantes pues en ellas están considerados los voltajes de los motores de las ruedas activas como elementos de control. La determinación de las trayectorias deseadas y de las ecuaciones lineales son fundamentales para la planificación de la ruta del robot limpiador. Alcanzado un punto predeterminado, mediante la obtención de imágenes con una cámara CMOS y con algoritmos de reconocimiento de color y área, el robot móvil será capaz de identificar qué tipo de objeto debe recolectar. Se describen los sensores que se implementaran para la selección y recolección de la basura. Palabras clave: Robot móvil, control diferencial, trayectorias deseadas, sistema lineal, sensores de ultrasonido e imagen.
1. Introducción.
Con el transcurso de los años, el hombre se ha fascinado con máquinas que imiten las
funciones y movimientos de los seres humanos. La robótica, es una de las tecnologías más importantes en la nueva era de la sociedad, en la búsqueda de nuevas tendencias tecnológicas, el estudio de la robótica móvil juega un papel muy importante en diversas áreas y aplicaciones, desempeñando tareas de supervisión, exploración, distribución y transporte, entre otros, facilitando la automatización a gran escala, para esto es necesario incrementar la autonomía de estos dispositivos dotándolos con un sistema de navegación eficiente, dentro del que son relevantes tareas como lo son la percepción, planificación y control.
El estudio de la robótica móvil puede clasificar a los robots en vehículos aéreos, terrestres y
acuáticos. A su vez los robots terrestres se pueden clasificar de acuerdo al tipo de locomoción que utilicen para desplazarse dentro de su espacio de trabajo en tres categorías: robots de ruedas, robots de patas y robots de orugas. A pesar del amplio estudio de la movilidad de robots por patas y de orugas, el desarrollo más significativo se ha dado en la locomoción por ruedas. [1]
La MecaModelad
controlentre ecompu
Lse difese util(differeactivasa la pla
2
marco no inerpunto posició
siguien
Crotaciocalcula
atrónica en Méxicdo y Planificación
Actualmentel con botonesel humano y
utador y recon
Los robots merencian por loizará a lo la
ential steerings pero situadoataforma.
2.1 Deducció
El diagrama fde referencia
rcial el cual eP que
ón de éste de
De acuerdontes relacione
Consideramoonales, y quear las velocida
co, Vol. 2, No. 1,n de las Trayecto
e la forma ms, perillas, etcy el robot, enocimiento de
2. Ecua
móviles se pueos diversos s
argo de este g), este sistemos sobre el m
ón de las ecu
físico del roboa fijo oestá fijado al e se encuententro del marc
F
o al sistema des:
os al robot e las velocidaades de las ru
Enero 2013 orias de un Robo
más común dc. Sin embargestá llevandoe imágenes. [2
ciones de
eden construsistemas de tr
trabajo, es ma utiliza mo
mismo eje, ade
uaciones de
ot móvil se mo inercial, adrobot y se entra frente deco de referen
igura 1. Diag
de referencia
móvil como ades de las ruedas relativa
ot Limpiador
de controlar ago, la necesid
o al desarroll2]
movimien
uir basándoseracción que uuna plataform
otores indepeemás utiliza u
movimiento
muestra en la emás se apr
ncuentra en el robot móvil cia fijo.
rama físico de
a no inercial p
un cuerpo ruedas activaas a la velocid
a los robotsdad de tener lo de alterna
to del robo
e en diferenteutilizan. La coma con un sendientes paruna rueda libr
o
figura 1, el rorecia un marcel eje formado será el pun
el robot móvil
propio del ro
rígido con as deben tendad .
s es por meduna comuni
ativas que in
ot móvil
es diseños deonfiguración dsistema de tra cada una re para propo
obot se encuco de refereno por las dos
nto deseado p
.
bot móvil pod
movimientoser la direcció
dio de panelcación más dcluyen visió
e plataformasdel robot móvtracción diferde las dos r
orcionar estab
uentra dentro ncia móvil s ruedas activpara determi
demos obten
s traslacionaón , se pu
22
es de directa ón por
s, que vil que rencial uedas bilidad
de un o
vas. El nar la
ner las
(1)
ales y ueden
(2)
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador
23
(3)
Tomando la consideración que (velocidad de translación del robot móvil) sólo tiene componentes en podemos obtener que y que ; por lo tanto:
(4) (5)
Para obtener v, despejamos de (5) y lo sustituimos en (4)
(6)
y para obtener despejamos de (5) y lo sustituimos en (4)
(7)
Con las ecuaciones (6) y (7) se obtienen la velocidad angular y la velocidad del motor en función de las velocidades de los dos motores. Si se considera que la derivada del ángulo de orientación del robot, es la velocidad angular del mismo:
(8) La posición del centro del arreglo de sensores desde el marco de referencia móvil es:
(9) (10)
Incluyendo las componentes de la velocidad del robot (es decir, del origen del marco de referencia móvil respecto al marco de referencia fijo) tenemos
(11) (12)
Las ecuaciones (8), (11) y (12) describen la velocidad de rotación y de translación (cinemática) respectivamente, del centro de sensores del robot móvil dentro del marco de referencia inercial
. Para obtener las dos ecuaciones dinámicas restantes del robot móvil, se utilizarán las ecuaciones de movimiento que plantea el Principio de DÁlembert [4] para el equilibrio dinámico de un cuerpo rígido; dichas ecuaciones son:
(13)
(14)
en donde la ecuación (13) relaciona la resultante de las fuerzas externas y la aceleración del centro de masa del sistema y la ecuación (14) relaciona el momento resultante de las fuerzas externas y la razón de cambio de la cantidad de movimiento angular o momento angular del sistema. Expresando la ecuación (13) para el centro de masa del robot móvil, tenemos que
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador
24
(15)
La derivada , representa la aceleración del centro de la masa:
(16)
Ahora bien; sustituyendo la expresión (16) de aceleración del centro de masa en la ecuación de movimiento (15), se puede obtener una expresión de equilibrio dinámico para cada eje coordenado del sistema de referencia fijado en el robot como y ; es decir
(17) (18)
de las cuales, la ecuación (18) no será considerada ya que sólo interesa considerar las fuerzas de empuje de las llantas, y no las fuerzas perpendiculares al plano de rotación de las llantas.
También es necesario conocer la derivada del momento angular ya que
conocemos los vectores y , entonces:
(19)
Es necesario además, asociar las fuerzas a las coordenadas que determinan el giro de cada uno de los motores del robot móvil; para esto, se sabe que el torque o momento de un motor es:
(20)
donde son el torque y la fuerza respectivamente, aplicadas por el motor; y es el radio de la rueda acoplada al motor. El modelo más simple conocido para un motor de DC, es el que relaciona el torque del motor con la velocidad angular del mismo; dicho modelo se describe a continuación:
(21) donde es el torque del motor (Nm); es el voltaje aplicado a las terminales del motor (V); es la
velocidad angular (rad/s); , donde R es la resistencia eléctrica del devanado del motor , es
la constante de torque (Nm/A); , donde es la constante de la fuerza contra-electromotriz del
motor (Vs/rad). Despejando la fuerza F de la ecuación (20) y sustituyendo en la ecuación resultante de esto, el valor del torque de la ecuación (21), se obtiene una expresión para calcular la fuerza del motor:
(22)
son las velocidades angulares de las ruedas acopladas a los motores derecha e izquierda,
respectivamente; se pueden obtener una expresión para cada una de éstas, utilizando las ecuaciones (4) y (5):
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador
25
(23)
(24)
y así, se puede obtener con (22) y las ecuaciones anteriores (23) y (24), una expresión de fuerza para las ruedas derecha e izquierda, respectivamente:
(25)
(26)
Sustituyendo las expresiones (25) y (26) en las ecuaciones de movimiento (15), tenemos finalmente que:
(27)
(28)
Por lo tanto, las ecuaciones (8), (11), (12), (27) y (28) describen el movimiento o dinámica del robot móvil:
(29)
Con este sistema de ecuaciones se puede realizar un análisis de estabilidad correspondiente a un sistema en lazo abierto.
3. Ecuaciones lineales y trayectorias deseadas Con los posibles movimientos básicos que un robot móvil puede realizar en un plano como se observa en la figura 2, se pueden plantear algunas trayectorias deseadas para ser descritas por éste. Considerando que el robot presenta movimientos horizontales y verticales paralelos a los ejes
y tenemos en la tabla 1, las siguientes trayectorias rectas deseadas.
La MecaModelad
Pcasa destá sealguna
Slinealm
atrónica en Méxicdo y Planificación
Fi
1. L2. L
3.
4.
Para obtenerel robot es paeccionado en as trayectorias
Tr5.C
(dire6.C(co
7.C(dire8. C(dire
Siendo (30) mente a vecind
co, Vol. 2, No. 1,n de las Trayecto
igura 2. Traye
Tabla 1. T
TrayecLínea Horizontaínea HorizontaLínea Vertical
Línea Vertical
r los desplazaralelo al eje cuatro cuadr
s se muestran
T
rayectoria Cuadrante I ección reloj) Cuadrante I ontra reloj)
Cuadrante II ección reloj)
Cuadrante IV ección reloj)
el conjunto ddades cercan
Enero 2013 orias de un Robo
ectorias desea
Trayectorias d
ctoria al sentido posital sentido negat
sentido positiv
sentido negativ
amientos circ y que el m
rantes (ver fign en el tabla 2
Tabla 2. Trayec
de ecuacionenas para las tr
ot Limpiador
adas (rectas y
deseadas hori
tivo tivo
vo 0
vo 0
culares se sumovimiento segura 2) y toma2.
ctorias desead
es de movimirayectorias de
y circulares) d
izontales y ve
0 0
upondrá que e describe sobando en cuen
das circulares
iento del robeseadas. Así
el robot móvil
erticales.
0
el estado inbre un circulonta el sentido
s
bot móvil, se í, con la traye
l.
0 0 0
0
icial o posicio de radio R, e
en que se re
pueden aproectoria desead
26
ón de el cuál ecorre,
oximar da:
La MecaModelad
corresplineale
Drestant
Ly trayeel roboél, el r
Ldistanchacer uesquivobjetos
atrónica en Méxicdo y Planificación
pondiente a s:
De igual fortes.
4. Pla
La trayectoriaectorias en seot se detendrárobot se enca
La primer tracia cambie deun medio circar el segunds a identificar
co, Vol. 2, No. 1,n de las Trayecto
un movimien
rma, se pue
anificación
a completa deemicírculos coá y mediante argara de la id
ayectoria a ree control paraculo, para esqdo obstáculo .
Enero 2013 orias de un Robo
nto recto ho
den obtener
n de las tra
el robot limpiaomo se obserla obtención
dentificación d
Figura 3. Tra
ealizar consista realizar un quivar el primy al final rea
ot Limpiador
orizontal en s
r expresiones
ayectorias
ador será unarva en la figurde una image
de cada objet
ayectoria del r
te en una línpequeño semer obstáculo,alizar un tray
sentido posit
s lineales pa
del robot m
a combinacióra 3, despuésen de los objeto.
robot móvil.
nea recta, quemicírculo y vu y luego repe
yectoria en lí
tivo, se tiene
ara las traye
móvil limp
ón de trayectos de realizar etos que se e
e después deuelva a cambetir las mismanea recta ha
en las ecuac
ectorias des
iador
orias en líneadichas trayec
encuentren fre
e una determbiar de controas trayectoriasasta encontra
27
(30)
ciones
(31)
eadas
a recta ctorias ente a
minada ol para s para ar los
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador
28
Tabla 3. Valor de los parámetros del robot móvil
Variable Valor Descripción h 0.25 Distancia del eje de las ruedas al
arreglo de sensores [m] m 3.00 Masa del robot móvil [kg] b 0.047 Distancia del centro de masa al eje de las ruedas [m]. r 0.05 Radio de las ruedas activas
0.00196 Fuerza contra-electromotriz del motor T 0.135 Distancia medida entre las dos ruedas [m] 0.005 Momento de inercia [Kg] 0.0041 Fricción Viscosa 0.5 Velocidad deseada [m/s] 0 Velocidad angular deseada [rad/s]
4.1 Diseño de control para la línea recta Se considera el sistema dinámico lineal en tiempo continuo descrito por: (32)
Éste modelo permite tomar en cuenta las variaciones paramétricas de un sistema dinámico. Aplicando la programación dinámica mediante la ecuación de Hamilton- Jacobi-Bellamn se tiene que este control es: (33) además P(t) 0 es la solución de la ecuación Diferencial Matricial de Riccati:
(34)
Si es reemplazada por ; la solución es llamada una solución estacionaria de la ecuación de Riccati (34) con condición La ecuación diferencial matricial de Riccati se convierte en una ecuación algebraica matricial, ya que el lado izquierdo es idéntico a cero. Por lo que el control óptimo para un sistema lineal invariante en el tiempo es : (35)
4.1.1 Simulación para una línea recta
El algoritmo fue implementado en el software MATLAB, se utiliza la instrucción care para obtener solución de estabilización de la ecuación algebraica de Riccati, y la instrucción ode45 para la solución de la ecuación de control en lazo cerrado mediante una integración numérica por el método Runge-Kutta de 5 orden.
Así entonces, el control óptimo para que el robot móvil realice la trayectoria recta deseada está dado por:
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador
29
Figura 4. Trayectoria recta horizontal con sentido positivo.
4.2 Diseño de control para un semicírculo
Un sistema lineal con parámetros variantes, depende explícitamente de un vector de parámetros variante en el tiempo (t) que puede medirse en tiempo real, éste parámetro es descrito para todo t 0 por la ecuación: (36)
Un sistema lineal con parámetros variables puede interpretarse como una generalización de un sistema lineal invariante en el tiempo cuando la trayectoria paramétrica admisible es constante
. Una sola solución óptima para todos los sistemas lineales invariantes en el tiempo se realizará, haciendo la transformación de la ecuación algebraica de Riccati modificada en una LMI1 . La solución de la ecuación algebraica de Riccati, es semejante a la solución de la LMI asociada a ésta la cual se obtiene haciendo:
(37)
El método que se está planteando para la obtención de un control óptimo para el sistema lineal variante en el tiempo, correspondiente una trayectoria circular en el IV cuadrante en sentido contrario del reloj, la solución de estabilización se calcula ahora mediante la solución de una LMI para un sistema politópico.
1
Una LMI (Desigualdades Lineales Matriciales) define un problema convexo sobre la variable, el cual se puede resolver numéricamente con
la garantía de encontrar una solución, si existe alguna.
0 10 20-1
0
1
Tiempo (s)
[m]
0 10 20-0.5
0
0.5
Tiempo (s)
[m]
0 10 20-1
0
1
Tiempo (s)
[rad]
0 10 20-1
0
1
Tiempo (s)
[m/s
]
0 10 20-5
0
5
Tiempo (s) [r
ad/s
]
x(t0)=[-1;-1;1;1;-1]
La MecaModelad
LEn el eforma c
5 Lcontrol Dexistenflexibili
atrónica en Méxicdo y Planificación
Figura
Los sensoresestudio de loscompatible pa
5.1 Sensor d
Los sensoresl y guiado de
Después de ntes, se optó idad, el rango
0 1 2-2
0
2
4
[m]
0 1 2-6
-4
-2
0
2
[ra
d]
0 1 2-1
-0.5
0
0.5
[ra
d/s
]
x(t0)=[0;0;0;0;0]
x(t0)=[0.74;0.33;0.10;0.11
co, Vol. 2, No. 1,n de las Trayecto
a 5. Trayectori
5. Se
s permiten la as sensores deara su proces
de ultrasonid
s de deteccióvehículos.
realizar unpor elegir e
o de medida y
Figura 6. S
2 3 4 5
tiempo (se
2 3 4 5
tiempo (se
2 3 4 5
tiempo (se
;0.27]
Enero 2013 orias de un Robo
ia circular en
ensores qu
adquisición debe involucrasamiento. [5]
do
ón de objetos
a investigacl sensor de u
y reducir coste
ensor de dista
6 7 8
eg.)
6 7 8
eg.)
6 7 8
eg.)
ot Limpiador
el cuadrante I
ue integran
de la informacarse la medid
s son una co
ión de los ultrasonido Ses, el rango d
ancia SRF05 y
9 10
9 10
[m/s
]
9 10
IV con sentido
n el robot m
ción necesariaa de las mag
omponente fu
diferentes tipSFR05 que ede medida se
y diagrama de
0 1 2-1
0
1
2
3
[m]
0 1 2-1
-0.5
0
0.5
[m/s
]
-1 -0.5 0-1
0
1
2
3
[m]
o contrario de
móvil
a para el contgnitudes y su
undamental d
pos de sensstá diseñado aumenta de
e conexión.
3 4 5
tiempo (seg.)
3 4 5
tiempo (seg.)
0.5 1 1.5
[m]
el reloj
trol del robot representaci
de los sistem
sores ultrasóo para aumen
3 a 4m.
6 7 8 9
6 7 8 9
2 2.5 3
30
móvil. ión en
mas de
ónicos ntar la
10
10
3.5
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador
31
El SRF05 (ver figura 6), es un sensor de distancias por ultrasonidos desarrollado por la firma DEVANTECH Ltda. Capaz de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de 1,7 a 431 cm. El sensor funciona por ultrasonidos y contiene toda la electrónica encargada de hacer la medición.
5.2 Sensores digitales de imágenes Una vez detectado el objeto a analizar con la ayuda de una cámara CMOS se llevara a cabo la captura de la imagen. La visión artificial consiste en la aplicación de técnicas de procesado de imagen y datos para extraer información de las imágenes. Una vez que la imagen se encuentre en condiciones de ser procesada, se tiene que hallar el objeto dentro de la imagen de forma independiente, lo cual se realiza a través de la segmentación. Cuando la imagen se encuentra segmentada, se procede a extraer las características para el reconocimiento, para que pueda clasificarse el objeto por color, tamaño o forma, mediante algoritmos de reconocimiento de color y de área. Las primeras pruebas a realizar para la identificación de color se harán con el algoritmo K-means Cluster con la ayuda de MATLAB, de la misma manera se ocupara como primera prueba para determinar el área del objeto detectado un código de cadena, después de la realizar las pruebas se pretende implementar los algoritmos en un microcontrolador PIC18F4550.
5.3 Actuadores En el campo robótica hay diferentes tipos de actuadores que pueden ser utilizados, de los cuales los más predominantes son los motores eléctricos y los actuadores neumáticos con válvulas. Desde el punto de vista de los robots móviles, el tipo de actuador más utilizado para éste tipo de aplicación es el motor eléctrico de corriente continua (DC). De los motores eléctricos más utilizados se puede mencionar al motor de DC estándar, el motor a pasos y los servos. [5] Para el movimiento de las ruedas activas se cuenta con dos motores modelo EMG30. Estos motores trabajan a un voltaje máximo de 12V, poseen una caja de engranes con un radio de reducción de 30:1 permitiendo un torque de 1,5Kg/cm y una velocidad sin carga de 170rpm, además cuenta con un encoder de cuadratura que ofrece 90 pulsos por revolución del eje final. Después de que el robot haya identificado cada objeto, se pretende que con la ayuda de un brazo robótico, el robot sea capaz de agarrar con una tenaza el objeto y colocarlo en el contenedor adecuado. El robot estará gobernado por un microcontrolador (PIC18f4550), el cual se encarga de gobernar motores y sensores.
6. Conclusiones Se ha realizado la deducción del modelo dinámico no lineal y mediante un análisis del mismo se han seleccionado los motores para las dos ruedas activas. Una descripción de las trayectorias deseadas se proporciona, posteriormente los sistemas lineales en las desviaciones se obtienen. Dada una tarea específica, la planificación de trayectorias deseadas se realizó con la finalidad de ejecutar dicha tarea. Actualmente se están realizando pruebas con el robot móvil. Paralelamente estamos analizando la implementación de los sensores y del brazo robótico que recogerá los objetos, cada parte que integra al robot limpiador será probado por separado para después implementar todo el sistema.
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Modelado y Planificación de las Trayectorias de un Robot Limpiador
32
Referencias [1] Ramos E, Morales R, Silva R. �Modelado, simulación y construcción de un robot móvil de ruedas
tipo diferencial�, CIDETEC-IPN, Departamento de Posgrado, Área de Mecatrónica, J. Phys. Educ. Vol. 4, No. 3, Septiembre 2010, pág. 762.
[2] Castiblanco D, Barreto C. �Modelado Cinemático Aplicado al Sistema de Navegación de un Robot Móvil tipo Skid Steer�, Ingeniería Mecatrónica, Universidad de San Buenaventura, 2006.
[3] F. Beer, R. Johnston, W. Clausen, Mecánica Vectorial para Ingenieros: Dinámica, McGraw Hill, 8° Ed., 2007.
[4] Riley F, Leroy D. �Dinámica�, Editorial Reverté, S.A., 2005, pág. 254. [5] T. Bräunl, Embedded Robotics, Springer, 2° Ed., 2006.
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, páginas 33 � 45, Enero 2013 Disponible en línea en www.mecamex.net/revistas/LMEM ISSN en trámite © 2012, Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C.
33
Automatización del Proceso de Embutido Profundo/Semi-profundo
Álvarez Zapata L. A., Sandoval Pineda J. M. y Flores Herrera L. A.
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIME-UA-IPN. Av. de las Granjas No. 682 Col. Sta. Catarina Delegación Azcapotzalco-México D.F. Tel.: 5729-6000, Ext.: 64530.
© 2012 Álvarez Zapata L. A., et. Al. Este es un artículo de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica, el cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre que el trabajo original esté apropiadamente citado. La revista cuenta con el Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012-092010534100-102.
Resumen. Se diseña una máquina alimentadora de cospeles, la cual satisface la necesidad de automatizar el proceso de embutido a un bajo costo. La máquina se encarga de seleccionar y dosificar la materia prima �cospeles� en una prensa o troqueladora que puede ser de diversas capacidades. La máquina alimentadora se elabora partiendo de la necesidad por obtener un incremento en la producción de sellos de monoblock para automóviles, mejorar la calidad de los productos finales y proteger la integridad física de los operadores de troqueladora. Con el apoyo de software de diseño y simulación, el costo final de la máquina alimentadora automática de cospeles se reduce de manera significativa, muy por debajo de los costos actuales de máquinas que desarrollan una función similar, lo cual la hace muy atractiva para el sector de las Pymes que se encargan de la producción de piezas embutidas y no cuentan con altos recursos de capital para obtener equipo de alto costo monetario que les permita hacer más eficientes sus procesos de producción. Palabras clave: automatización, vibrador electromagnético, selección de piezas, aumento de producción, sistema de control, seguridad.
1. Introducción.
La industria manufacturera metal-mecánica en general, se encuentra en constante evolución e innovación debido a la gran demanda actual de productos y a su continuo crecimiento. Los procesos de manufactura sufren radicales cambios en cuanto a su manera de fabricar productos. Hace algunas décadas la intervención de la mano del hombre para la fabricación de piezas era fundamental, actualmente sólo se requiere de un par de operadores y varias máquinas para elaborar un sinfín de productos [1]. Estos procesos que cuentan con un alto grado de automatización, permiten obtener productos de mejor calidad a menor costo y ofrecen mayor seguridad a los operadores.
De los procesos de manufactura, el proceso de embutido o embutido profundo/semiprofundo,
es uno de los que mayores riesgos presentan para el operador, debido a que se necesita operar la materia prima de forma manual y colocarla en una máquina llamada prensa o troqueladora.
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013 Automatización del Proceso de Embutido Profundo/Semi-profundo
34
2. Antecedentes generales y mercado actual.
Actualmente existe maquinaria con el herramental adecuado para llevar a cabo el proceso de troquelado, mediante la integración de elementos como dados progresivos, actuadores neumáticos, el uso de P.L.C. y sensores eléctricos entre otros, el proceso se lleva a cabo de forma autónoma y garantizando la calidad del producto, la desventaja es el costo, que es en promedio de $65 mil dólares, lo cual hace que este fuera del alcance de las Pymes dedicadas al proceso de troquelado. De esta forma surge la inminente necesidad de automatizar este proceso, el cual debe ser costeable para la Pymes, eficiente y seguro.
Otro factor importante en este proceso de manufactura, es que durante una jornada laboral de 8
horas, un operador de troqueladora puede llegar a colocar hasta 10,000 piezas, de las cuales un porcentaje aproximado del 17% son colocadas de forma incorrecta en la matriz del troquel, esto debido en gran medida a que es una tarea inmensamente repetitiva. Estas piezas colocadas erróneamente tienden a causar degeneración en el herramental y un producto con calidad inferior.
3. Necesidades.
Automatizar el proceso de embutido profundo, enfocándose en el sector de las pequeñas y medianas empresas del área metal-mecánica.
4. Objetivo de diseño.
Se diseña una máquina que selecciona correctamente la materia prima y posiciona de forma automática los cortes de lámina de cualquier geometría, de espesor no mayor a calibre catorce. La máquina es utilizada para el proceso de embutido profundo/semiprofundo.
Para facilitar el diseño de la máquina alimentadora, el objetivo de diseño se ha desglosado en seis objetivos particulares, los cuales se enfocan específicamente en satisfacer cada necesidad requerida de forma individual, y al final obtener un diseño funcional. Los objetivos particulares son:
1. Lograr un aumento en la producción de piezas embutidas y reducir costos de operación. 2. Mejorar la calidad de los productos elaborados. 3. Disminuir accidentes relacionados con la operación del proceso de troquelado. 4. Obtener un control confiable de la producción llevada a cabo por cada máquina durante el
proceso. 5. Desarrollo de una interface máquina-ordenador, la cual posea un entorno gráfico amable, y
sea de fácil interpretación para el operador, el inspector de calidad y supervisores de producción.
6. Fácil funcionamiento y mantenimiento.
5. Diseño del Alimentador.
Partiendo de un estudio completo de los procesos de producción actuales y otros desarrollados con anterioridad, se elabora un diseño en 3D, del cual posteriormente se analizará y simulará usando software computacional y de esta manera obtener los resultados óptimos con el mínimo de errores, evitando gastos extras ocasionados por una reingeniería en la manufactura del producto final. El diseño del alimentador consta de las siguientes etapas:
La MecaAutomat
2345
5
de mamateriaaluminestar lhomoginspecla mate
haciencon el determcon lastiras depunzóndados dados correspdañarsorilla cFigura observcorte notra paapreciaproces
Dlos coNervionerviosde las 10mV)
atrónica en Méxictización del Proc
1. Preparació2. Ordenamie3. Alimentació4. Colocación5. Etapa de c
5.1. Preparac
Uno de los pateria prima. ales como, aizado, etc., laibre de defe
géneo posibleciones de meeria prima. Cu
Una vez realdo uso de laancho corres
mina el anchos que se trabae lámina cortn de corte, coo punzones de corte, a
pondiente, cose. Un dado dcon filo pronun
1 se observva en el contono cuenta conarte en la Figua un borde sso de embutid
Dicha informamandos motoso Periférico,sos periféricoseñales EMG.
F
co, Vol. 2, No. 1,eso de Embutido
ón de la materento y selección y dosificacn de materia pcontrol del sist
ción de la ma
asos más impEn este caso
acero inoxidabas cuales se ctos como ra
e en todo lo letrología dimeualquier impe
lizada la acea máquina cizspondiente de de la láminaajan son con tadas, están on el cual sede corte cuen
al igual que onforme al prde corte mal nciado en losva un cospelorno del mismn las propiedura 2 se ilustrin imperfeccio
do, en el cual
ación refleja lores. Ademá, las alteracio
os, así como G varía desde
igura 1. Cosp
Enero 2013 o Profundo/Semi
ria prima. ón de materia
ción de materprima en matrtema y adqui
ateria prima
portantes anteo para realizble T-304 y Ttrabajan en dalladuras y alargo de la láensional !conerfección en la
ptación de lazalladora la láe cada cospea, en este cas
anchuras nopasan a otro
e obtendrán lontan con las los de emb
roducto que vmaquinado-c
s cospeles ob obtenido de
mo, la rebabaades de cortera un cospel oones. Los cose obtendrán
as fuerzas quás, se usa enones funcionade patologías
e los microvo
el de acero in
-profundo
a prima. ria prima. riz de troquelsición de dato
es de realizarar los sellos T-401, latón diversos calibabolladuras, aámina, esto sn el apoyo dea lámina se ve
a materia primámina es cortel a fabricar. Eso para el dis mayores de o proceso, elos futuros comedidas corr
butido, debenvan a fabricaconformado, btenidos, a loe una láminaa generada ee apropiadasobtenido de u
ospeles obtenn los sellos o t
ue son generan el diagnósales de las ras del múscullts ( V) hast
oxidable con
. os.
r cualquier prode monobloSAE 70-A, a
bres (del 22 aademás el ese realiza mee micrómetro erá reflejada
ma, ésta es rtada en tirasEfectuando loseño y uso d100 mm y no cual consist
ospeles a embrespondientesn de contar ar, para así oen un corto
o que comúnma de acero inen el proceso s, tales como una lámina denidos se convtapones con
radas por los stico de patoaíces nervioso y de la unita un bajo ran
filo o rebaba
oceso, es el rock, se usa láacero SAE 10al 14). La maespesor tendrediante inspey vernier!, seen el product
llevada a un , estas tiras
os cálculos codel alimentadoo menores a te en troquelbutir, de la ms de cada tapcon el proc
operar duranto mediano p
mente se le llnoxidable T-3
de corte, enel filo de cor
e acero SAE vertirán en lala profundida
músculos y laologías que asas, de los plión neuromusngo de milivo
en su perímet
recibo e inspeámina de div010 y 1045,
ateria prima drá que ser locciones visuae acepta o reto final.
proceso de de lámina cuorrespondientor las dimens25 mm. Ya car las tiras c
misma forma, pón a fabricaceso de temte largos ciclo
plazo generarama rebaba.
304, en la cu donde el darte entre otra1010, en don
a materia primad deseada.
a temporizacafectan al Sislexos y los trscular. La amlts (mV) (men
tro.
35
ección versos acero
deberá o más ales e chaza
corte, uentan tes se siones on las
con un estos
ar. Los mplado os sin rá una En la ual se ado de s. Por
nde se ma del
ión de stema roncos mplitud nor de
La MecaAutomat
5
Ael diseñseleccióilustran acomoddetenci
C
que lo
atrónica en Méxictización del Proc
5.2 Ordenam
A partir de estaño, se analizaón de piezas palgunos sistem
do y alimentacón y avance de
F
Como se sabeideal es no te
co, Vol. 2, No. 1,eso de Embutido
Figura 2.
miento y sele
a etapa en adean las piezas para ensamblemas de selección de cospelee cospeles.
igura 3. Sistem
e, los cospeles ner rebaba en
Enero 2013 o Profundo/Semi
Cospel de ace
cción de la m
elante se comieque se debe existentes, se
ción [2]. Esta ees al resto de l
mas de selecc
obtenidos tien el cospel. Us
-profundo
ero SAE 1010
materia prim
enza con el disn seleccionar e adecua uno tapa es una ma máquina, as
ción de piezas
nen un ligero filsando este dat
sin bordes im
a.
seño del alimey desplazar.
para esta aplicmayor importansí como tambié
s con distintas
lo o rebaba ento, se diseña u
mperfectos.
entador automáEstudiando d
cación. Para encia, ya que seén es la etapa
s geometrías [
n el mejor de loun selector de
ático. Para iniciversos sistem
ello en la Figure realiza la sele
donde se cont
[2].
os casos, recorpiezas en don
36
iar con mas de ra 3 se ección, trola la
rdando nde se
La MecaAutomat
identifices el smagnéty estos
E
los cospfuncionque el vincreme
P
integradelemenmarco yvibraciose obse
E
protegeproporcestructucoloca 127 Voaliment
atrónica en Méxictización del Proc
can los cospelesiguiente, los tico, al comenzson guiados p
En la Figura 4 peles. El recoramiento óptimvibrador podríaentando su cor
Para hacer el tdo por una bobtos; componeny sistema de amones más largaerva el diagram
En la Figura 6e la bobina, la bciona estabilidaural, con los cel tazón, dond
olts y 50/60Hzadas con una v
co, Vol. 2, No. 1,eso de Embutido
es que tienen rcospeles son
zar a vibrar el tapor medio de un
se observa el rrido de los coso dentro del taa no generar larriente y genera
traslado de lasbina que se insntes eléctricos mortiguación. C
as o más cortasma de las conex
Figura 5. Co
6 se ilustra el base de la bobad al vibrador.cuales se evitade son vertidos. Con todo lo velocidad que
Enero 2013 o Profundo/Semi
rebaba de los colocados en
azón los cospen canal en form
diseño final despeles se realizazón se colocaa suficiente vibando un calent
Figura 4. Taz
s piezas dentrostala debajo decomo un variaCon el variados y con esto sexiones correspo
onexiones co
montaje del vibina está instal. Para montar
a que la vibracs los cospeles
descrito antees regulable.
-profundo
que no la tiene un tazón, el
eles comienzanma de espiral.
el tazón, en la cza de la parte a hasta un límbración para detamiento exces
ón contenedo
o del tazón, se el tazón. El vibrador de frecuenr se excita la be regula la veloondientes a la
rrespondiente
brador electroada sobre unael vibrador se
ción se transm. El vibrador eriormente, las
en. El funcionacual está mo
n a ser desplaz
cual se apreciainferior hacia lite de 75 kilogesplazar a unasivo en la bobin
or de cospeles
implementa unrador electromancia y bobina, bobina a diversocidad de avanbobina.
es al sistema d
omagnético, ena placa de acee ha instalado
mita a la estrucelectromagnétic
piezas son s
amiento de estontado sobre zados en el inte
an los canales qa parte superio
gramos de cosa velocidad adena.
s.
n sistema de vagnético se coy elementos es
sas frecuenciasnce de los cos
de vibración.
n la cual se obro de 2 pulgado un arreglo dctura principal.co funciona coseleccionadas
te selector de un vibrador e
erior del mismo
que guían el por del tazón. P
speles, esto deecuada los cos
vibración, el cuonstituye por distructurales co
s, que se tradupeles. En la Fi
bserva la lámindas de grosor, de resortes de Sobre la bob
on corriente altde forma corr
37
piezas electro-o tazón
aso de Para un ebido a speles,
al está versos
omo un cen en igura 5
na que la cual acero
bina se terna a recta y
La MecaAutomat
5 L
alimentalimentcospel.
E
cuales cospel, el cambrampa. momengenera
E
voltear con la caliment
atrónica en Méxictización del Proc
5.3. Alimenta
Las piezas proador, el cual tieador cuenta c
El pistón de dpermiten reguestos cambian
bio de la posicUn sensor de
nto que se presque se deteng
En la Figura 7 cada cospel. Ecual los cospeador con el seg
co, Vol. 2, No. 1,eso de Embutido
ación y dosif
ovenientes delene como func
con un pistón
oble efecto cuular la velocidan su posición 9ción de las pieze tipo inductivosente una saturga el abasto de
se observa el En la parte infeeles son guiadogundo alimenta
Enero 2013 o Profundo/Semi
Figura 6. V
ficación de m
l tazón contención alinear losneumático de
uenta con válvuad de avance 90° para así poszas en otros 9o montado al ración de cosp piezas.
diseño de esteerior de este pos al segundoador y de esta
Figura 7. Pri
-profundo
ibrador electr
materia prima
nedor son alims cospeles y as
doble efecto,
ulas reguladory retroceso desteriormente in
90° aproximadaprincipio del a
peles, envía la
e primer alimenprimer alimentao alimentador. forma asegura
mer alimentad
romagnético.
a.
mentadas de unsí se evitar ata
el cual se en
ras de caudal el émbolo. Un
ncorporarse a uamente, lo quealimentador deseñal al P.L.C
ntador, así comador se instalóÉsta pieza es
ar la correcta ca
dor de piezas.
na en una a uscos de materncarga de cam
en la entrada na vez que el una rampa, cuye es atribuible tecta el paso . y este a su ve
mo el proceso có una lámina q
para conectaaída de cospel
.
un primer dispria prima. Este mbiar la posici
y salida de aipistón empuja
ya función es ra la geometríade las piezasez al vibrador,
correspondientue tiene formar o acoplar al es.
38
positivo primer
ión del
ire, los a cada realizar a de la , en el lo que
te para a de V, primer
La MecaAutomat
Epiezas instaladalojandalcanzade abaj(altura determialiment
Esimple almaceque se sido retpistón spistón del últimcospel cospel. cospel diámetr
atrónica en Méxictización del Proc
El segundo alimen el aliment
dos en la parteo en el fondo d
ado este nivel sjo hacia arribaajustable) deteina si el alimenador de piezas
Figura
El segundo aliefecto. De arrnados en el seha dosificado
tenidos. El segse energiza unde simple efecto cospel y caeen la correderEl segundo alcon que se traro del cospel.
co, Vol. 2, No. 1,eso de Embutido
mentador de ptador además inferior del sede este segundse comienza coa, el primer senermina el niventador ha alcas, así como los
8. Segundo a
mentador de criba hacia abajegundo alimenel cospel, el pundo pistón esa vez que se hto ha atorado e a la correderra final, el cicloimentador cue
abaje, de la m
Enero 2013 o Profundo/Semi
piezas, consta de enviar la
egundo alimentdo alimentadoron la dosificacinsor sirve para
el óptimo de manzado un nive
pistones dosif
alimentador de
cospeles cuentjo, el primer ptador mientras
pistón de simpls un pistón de dha alcanzado elos cospeles sra donde despo de dosificacióenta con un sisisma forma los
-profundo
de tres sensorseñal a los p
tador. Los cospr, uno tras otroión de cospelea detectar mat
materia prima, el máximo de cficadores.
e piezas con p
ta con dos pistpistón es de sis el cospel inme efecto retraedoble efecto, coel nivel óptimo uperiores y es
pués es colocaón de cospelesstema que perms sensores ind
res inductivos, pistones neumpeles provenieo se van juntans a la matriz dteria prima en y el tercer secospeles. En l
pistones neum
tones neumátiimple efecto, s
mediato inferior e su émbolo y on el cual es dde materia pri
s entonces cuaado en la matris se vuelve a mite ajustar suductivos tambié
los cuales reamáticos dosificentes del primendo hasta alcael troquel. Los el alimentador
ensor (tambiénla Figura 8 se
máticos dosific
cos, uno de dosu función es es dosificado deja caer los c
dosificado el coima en el segundo el pistón diz del troquel. repetir hasta f ancho en funcén son ajustab
alizan la detecccadores de coer alimentador nzar un nivel ósensores indu
r, el segundo de altura ajuobserva el se
cadores.
oble efecto y oretener los coa la matriz. Ucospeles que h
ospel a la matriundo alimentadde doble afectoUna vez coloc
finalizar con el ción del diáme
bles dependien
39
ción de ospeles se van
óptimo, uctivos; sensor stable)
egundo
otro de ospeles na vez habían z, este
dor y el o libera cado el
último etro del ndo del
La MecaAutomat
5 E
dosificamanipusu adapacoplamEl acopguías drealizar
E
especiade la gu
5 L
de la metapa nordenadde fácil de contP.L.C., así comcuenta la Figur
atrónica en Méxictización del Proc
5.4. Colocació
Esta es la etadas por el seglada por un pisptación a la mamiento a la troqplamiento de ladel troquel y lar el acoplamien
En caso de reqal, todo en funcuía de la corred
5.5. Etapa de c
La etapa de comarca SMC, coneumática, y ddor, y haciendoacceso usand
trol montado ael variador de
mo la interfaz pcon su unidad
ra 10 se observ
co, Vol. 2, No. 1,eso de Embutido
ón de materia
apa final del gundo alimentastón neumáticoatriz del troquequeladora, única deslizadera aa matriz no sento.
F
querir algún tipción del tipo dedera y de esta
control del sis
ontrol del alimeon el cual es dde la misma foo uso de los ado el programaa un costado dfrecuencia de
para adquisiciónde mantenimi
va el diseño bá
Figura 10. In
Enero 2013 o Profundo/Semi
prima en matr
proceso, y codor a la matriz
o de doble efecel es muy verscamente se oria la troquelado
e han modifica
Figura 9. Acop
po de lubricantee lubricante a uforma se lubric
stema y adqui
entador automádesarrollado el orma el uso deccesorios com
a LabView (NI)de la estructurala bobina, la en de datos, estento para la pr
ásico del gabine
nstalación de
-profundo
riz de troquel.
onsiste en reaz del troquel. Pacto, esta deslizsátil, ya que noenta de manerora se observa
ado, así no exi
plamiento mat
e para los cospusar, el cual esca la pieza.
isición de dato
ático es llevadaprograma que
e este P.L.C. pmpatibles del P
. La máquina a principal, en lectroválvula, lto último de foreparación de aete de control y
gabinete de c
.
alizar el debidara ello se disp
zadera es de cao es necesario ra horizontal a a en la Figura iste la necesid
triz-deslizader
peles, se realizs rociado en ca
os.
a a cabo por une coordina todprovee una int.L.C., se desaralimentadora a el cual se insas conexiones
orma interna. Eaire para los py sus dispositiv
control con su
do desplazampone de una dearrera ajustablun medio espla base y con 9, la cual mu
dad de alterar
ra.
za usando aspantidades contr
n P.L.C. de usoa la etapa de terfaz muy dinrrolla una interautomática cuestala el gabines correspondienExternamente epistones, todo dvos correspond
us accesorios.
miento de las eslizadera, la ce a través del
pecial para reala matriz del testra que losel herramenta
persores de proroladas sobre la
o industrial modmando, así coámica con el rfaz de usuarioenta con un gaete donde se antes de alimenel gabinete del de la marca SMdientes.
40
piezas cual es pistón, lizar el roquel. postes al para
opósito a base
derado omo la equipo
o (GUI) abinete aloja el tación, P.L.C.
MC. En
La MecaAutomat
L
y con ubajo co
A
P
de la ppandeocilindronormalneumáseleccidebidodiámetuna prede ello
D
tiempo1.5 pienecesitobtiene
como lefecto.Q2 se c
Figura
atrónica en Méxictización del Proc
La estructuraun espesor dosto. Sus prop
Acero de bajoEsfuerzo de tEsfuerzo de fElongación e
Por otra partepresión de trao admisible dos alcanzan vles. Sin emb
ática se trabionan pistone
o a que el pestro del vástagesión admisibs, usando la
Donde; 24 mo en que se dezas por seguta en la enten los flujos c
En la Figura la configurac En la posicióconecta el pis
11. Vista de la
co, Vol. 2, No. 1,eso de Embutido
6. E
está diseñade 3 mm. Éstepiedades mec
o carbono tensión: 3160fluencia: 2740n 50 mm: 21%
e, los cilindrobajo. Para ha
del vástago y velocidades qbargo, para aja con la ees en base aso de los cosgo y la carrerble de 3 a 6 bdistancia a re
mm es la distadebe cubrir laundo. Para orada y salida
correspondien
11 se observión interna deón de Q1 se astón.
as posiciones
Enero 2013 o Profundo/Semi
Estructura
da y elaborade perfil cuentacánicas son [
0 kg/ cm ^2 0 kg/ cm ^2 %
os neumáticosacer esto, se d
el consumo dque, en la maun cálculo menergía almaa la tarea a peles es casia máxima pe
bar. Para obteecorrer en un
ancia o carrea distancia. Cobtener esta va de los actntes.
va la entrada e la válvula r
alimenta la vá
s de conexión
-profundo
y actuado
a con perfil tua con excelen[3]:
s son seleccideberán aplicdel aire [4]. C
ayoría de los más exacto, acenada por realizar y lasi despreciable
ermisible, adeener la velocidtiempo deter
era del pistónon la velocidvelocidad se tuadores neu
de Q1 y Q2 creguladora delvula con el a
y constitució
ores neumá
ubular rectanntes prestacio
ionados en fucar diversos cCon los valorecasos, son sdebe tomarsla presión
s característice (1.6 grs), se
emás los pistodad de los pi
rminado. Se o
n de entrada ad obtenida debe calcula
umáticos. Pa
correspondiene caudal corraire provenien
ón interna de
áticos.
gular, de 38.1ones mecánic
unción de la criterios, taleses que se ind
suficientes pase en cuentay el caudal cas de las pe hace la seleones selecciostones, se pa
obtiene la sigu
más la de sse alimentan
ar el flujo voluartiendo de la
ntes a la válvurespondiente nte del compr
la válvula reg
1 mm de cadcas, además
fuerza necess como la fuerdican en tablaara las aplicaca lo siguientde un fluid
iezas a despección en baonados operaarte de la seleuiente la velo
salida; 0.75 s aproximadamumétrico Q qa Ecuación (
ula reguladoral pistón de
resor, y en la
uladora (acot.
41
a lado es de
saria y rza de as, los ciones te: en o. Se
plazar, se del
an con ección cidad:
(1)
s es el mente
que se (2) se
(2)
ra. Así doble salida
. mm).
La MecaAutomat
C
obtienecada a13, lasconsid
efecto,el com
atrónica en Méxictización del Proc
Con lo anterio
Q2=0 V1=12
Estos valoreen las velocidactuador neums cuales indierados son lo
Long Presi Masa Tiem
Figu
Figura 13
En la Figura arroja un coportamiento d
co, Vol. 2, No. 1,eso de Embutido
or se obtiene
0.000157 l/s 2.5 mm/s
s corresponddades teóricamático. Con ecan el comp
os siguientes:
itud de carrerón de funcion
a en movimienpo total de re
ura 12. Resulta
. Resultados o
12 se observmportamientodel mismo cili
Enero 2013 o Profundo/Semi
lo siguiente:
den al caudaas en el pistóel monitoreo dportamiento d
ra requerida: namiento: 6 bnto: 1.62 grs.
ecorrido: 0.375
ados cilindro s
obtenidos cilin
va el comportao proporcionaindro de simp
-profundo
al y velocidaón de doble de los cilindro
del cilindro a
10 mm. bar. 5 s.
simple efecto;
ndro simple e
amiento del pal en cuanto aple efecto con
ad de la válefecto. Este
os neumáticolo largo de
; Tiempo-Reco
efecto; Tiempo
pistón de 12 mal recorrido v
n respecto a la
lvula regulad procedimien
os, se obtienela tarea a r
orrido-Velocid
o-Presión-Ace
milímetros devs tiempo. La a presión y ac
dora, con ellnto se realizaen las Figurasrealizar. Los
dad.
eleración.
e carrera de sFigura 13 mu
celeración.
42
os se a para s 12 y datos
simple uestra
La MecaAutomat
Y
alimensoldadcompoprograproduccorrespdeposial alim
S
despuécantidaestudiodecidetrabajoLa Tacompaobservmanua
atrónica en Méxictización del Proc
Ya con el dtador, el cuas, elaboraci
onentes alojadma el P.L.C.
cto final, dondpondiente al tada la materentador.
Se obtuvo unés de elaborad aumenta vos posteriores manejar la c
o y ajustar losbla 1, mues
aración con lova que la canal.
co, Vol. 2, No. 1,eso de Embutido
diseño analítal no requieión de barrendos en su inEn la Figura de se represvibrador elec
ria prima, los
F
8
na alimentaciórar varias prvariando la vs se alcanzarcantidad de 1s parámetros stra la produos obtenidos
ntidad de sell
Enero 2013 o Profundo/Semi
7.
ico y numérere de procenos, pintura, nterior, como 14 se muestenta en coloctromagnéticoalimentadore
Figura 12. Alim
8. Resulta
ón final de 72ruebas, en lavibración de ron alimentac.2 pzas/s debcon otras veloucción de ss en una posos o cospele
-profundo
Prototipo
rico, se contesos complejcolocación dlas electrová
tra una fotogrr amarillo la o, en su par
es de cospele
mentador de c
ados finale
2.5 piezas poas cuales sela bobina y
ciones de hasbido a que la ocidades impellos de mosición de traes embutidos
final.
tinúa con elejos, únicamedel gabinete álvulas y cajrafía correspolámina que a
rte superior ses y otros disp
cospeles final.
es obtenido
or minuto, (1.e obtuvo en el caudal de
sta 2 piezas pmáquina fue
plicaría nuevaonoblock obtabajo en el ms fue casi del
proceso deente cortes de control e as de conex
ondiente al alialoja en su ise visualiza epositivos prop
.
os.
2 pzas/s). Espromedio es
e admisión dpor segundo. e sometida a amente una intenidos duranmismo interval doble con r
e manufacturde perfil, uninstalación d
xión, así mismimentador ya nterior a la bel tazón don
pios que confo
ste dato se osta cantidad.e los pistoneEn este estuun intenso ci
nversión de tiente una horalo de tiempespecto al m
43
ra del niones de los mo se como
bobina de es orman
btiene . Esta es, en dio se clo de empo. ra, en po. Se método
La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 1, Enero 2013Automatización del Proceso de Embutido Profundo/Semi-profundo
44
Tabla 1. Sellos de monoblock obtenidos por hora.
Tiempo (minutos)
# Sellos de Monoblock Obtenidos1 Posición Nuevo sistema
1 35 72 5 175 360
10 350 720 15 525 1080 20 700 1440 25 875 1800 30 1050 2160 60 2100 4320
Figura 13. Cantidad de cospeles introducidos de forma errónea durante una jornada laboral de 8 horas.
Otro punto importante es el costo de este alimentador en comparación con otros que existen en el mercado.
• Costo final del nuevo alimentador automático: $136 mil pesos. Con todos los gastos generados e impuestos incluidos.
• Costo de otros sistemas de colocación de piezas elaborado por FESTO PNEUMATIC SA de CV: $550 mil pesos. Más gastos de transportación, más gastos por capacitación y operación, más impuestos.
9. Conclusiones.
Se evita la interacción directa operador-máquina, y se reduce significativamente la posibilidad de que ocurra algún accidente hacia el operador.
Con el diseño de sistema de alimentación se aumenta la producción de piezas y al mismo tiempo se mejora la calidad del producto final reduciendo drásticamente las piezas que son mal formadas, con el nuevo sistema de alimentación es posible obtener una alimentación de cospeles mayor, esto en función del material y sus características físicas.
Se diseña de manera satisfactoria un dispositivo que se encarga de llevar a cabo la automatización de un proceso.
Finalmente, en comparación con otros dispositivos, los costos totales para la fabricación de uno con respecto a otro varían de forma significativa.
Referencias [1] Amstead, B. H., Ph. Oswald, F., Begeman, L. Procesos de Manufactura, Edit.: C. E. C. S. A. México, 2002. [2] Boothroyd, G. Fundamentals of Machining and Machine Tools, Edit. CRC Pr. I. Llc, 2005. [3] Aceromex. Catálogo de Perfiles Estructura Rectangulares, México, 2009. [4] Meixner, H., Kobler, R. Introducción en la Nuemática: Manual de Estudio, Edit.: FESTO, 1988.