Desarrollo de un brazo mecánico articulado electro-neumático by Javier Del Sol Rodríguez

El presente artículo completo lo puedes encontrar en el siguiente link: Desarrollo de un brazo mecánico articulado electro-neumático

RESUMEN

Este documento presenta el diseño, desarrollo y montaje de un brazo antropomórfico articulado electro-neumático. El brazo humano es una estructura muy compleja compuesta por tres articulaciones, cada una de ellas con sus respectivos grados de libertad. Cada articulación requiere una solución particular y la necesidad de usar diferentes actuadores, así como la implementación de un diseño de control adaptado. Tales circunstancias enriquecen el proyecto ante la necesidad de abordar distintas disciplinas, como mecánica, electrónica y programación.

Para llevar a cabo un proyecto eficiente, se comienza el mismo con un diseño de CAD del sistema. El diseño se basó en un estudio inicial de la anatomía del brazo, permitiendo así acercarse lo máximo posible a la fisionomía que presenta un brazo humano. Una vez validado el diseño, se procede al montaje de los diferentes elementos del sistema tal como se plantea en el diseño inicial, de manera a desarrollar un proyecto con alto grado de antropomorfismo. Tras el montaje, se lleva a cabo del control de los diferentes elementos a través de la placa BeagleBone que permite un sencillo control de todos los actuadores y dispositivos.

Habiendo realizado el control, se realizan las pruebas que validan el diseño, montaje y control de manera efectiva. Se consigue finalmente un sistema funcional capaz de realizar movimientos con siete grados de libertad similares a los que podría realizar un brazo humano.

Diseño

Siendo el proyecto la construcción de un brazo antropomórfico, a la hora de realizar el diseño del brazo, se ha intentado respetar el diseño humano. Este apartado abordará los diseños a través de programas de CAD que han permitido evaluar la viabilidad de los montajes, así como los esquemas de dichos diseños, lo que servirá de ayuda en la comprobación del correcto montaje del sistema.

Desde el principio, se basó el diseño del brazo partiendo de la idea de respetar lo más fielmente posible que el brazo debía tener unas proporciones humanas de cara a poder continuar con la línea empezada años atrás con la construcción de la mano robótica.A partir de esta resolución, se ideó un primer esquema que permitiera realizar todos los movimientos que un brazo humano, todos ellos listados en el segundocapítulo de la memoria (Fundamentos teóricos).

Hombro

Sabiendo que el hombro es una articulación esférica, tal como se ha explicado en la sección de 2.2, se dividen sus GDLspara poder evaluar cada uno en solitario y posteriormente volver a considerarlos conjuntamente. Esto se debe a que no se consideró disponer de una articulación esférica ya que supondría aumentar de manera drástica la complejidad del proyecto así como los costes del mismo. Se recurre a un diseño basado en dos ejes y una rotación que permiten realizar cualquier movimiento que podría realizar una articulación esférica, solo que requiere más movimientos para alcanzar el mismo punto.

Puesto que el proyecto está basado en la mecánica y neumática, al usar tanto pistones neumáticos activados por un compresor de aire, como motores mecánicos que mueven engranajes, para realizar los movimientos, se ha comenzado el diseño por crear los GDLs de las articulaciones a través de dichos motores, pistones y sus diferentes posibles posiciones.

Tal como se puede observar en la figura 33, el hombro consta de dos ejes, uno que le permite realizar un movimiento vertical y otro que le permite llevar a cabo una rotación horizontal. Debido a que no se ha diseñado el hombro como una articulación esférica, los ejes de los que dispone la articulación, se han separado. Esto se debe a que no se podía realizar ambos giros desde un mismo punto por falta de espacio a la hora de colocar los actuadores de los movimientos.

Codo

El codo es la articulación más sencilla recreada en este proyecto. Dicha articulación presenta únicamente un GDL. Este movimiento se realiza a través de un pistón neumático de doble acción que se contrae y se extiende realizando la flexión y extensión del codo.

Tal como se comentó en la sección anterior, para diseñar esta articulación se recurre al sistema que presentan las retroexcavadoras. Se crea una pieza intermedia que permite ampliar el ángulo de giro del movimiento.

Para la creación de esta articulación se tuvieron en cuenta varios diseños ya que el procedimiento no era claro a la hora de instalar el pistón. En un primer lugar se ideó la articulación con el pistón en el exterior del cuerpo del brazo. Este primer diseño presentaba algunos problemas puesto que mermaba mucho el movimiento a partir de cierto ángulo de giro. El segundo diseño, el definitivo y que más adelante se refinó algo más, consistía en colocar el pistón en el interior del tubo que hace de cuerpo del brazo de forma que cuando estuviera completamente estirado, éste presentara una posición paralela a la varilla interna que tiene función de eje rotacional.

Muñeca

Esta articulación presenta dos GDLs, que tal como muestra la figura 10 son la flexión/extensión y la desviación cubital/radial. A diferencia de la muñeca real, para poder diseñar esta articulación, se ha tenido que separar los ejes, tal como se hizo para el hombro. En la articulación humana, ambos movimientos se hacen desde la unión de múltiples huesos presentes en la muñeca. En cambio se transponen dos servomotores que irán unidos por una estructura que los alinea de forma que con el movimiento de ambos se pueda recrear el rango de una muñeca real.

Control del sistema

Circuito de control

El control del brazo robótico requiere el manejo de tres tipos de actuadores distintos: Motores de corriente continua en el hombro y en las rotaciones longitudinales, que requieren el control del sentido de la rotación de los motores a través del sentido de la corriente. Válvulas neumáticas de dos vías que requieren el control binario de su alimentación; Servomotores en la muñeca que requieren de una señal PWM (Pulse WidthModulation) para definir su grado de giro.

Dado que la BeagleBone no dispone de los componentes necesarios para el control de estos actuadores, se ha desarrollado una placa de control con los componentes necesarios: Puentes H, buffers de protección, MOSFET, elementos de protección y atenuación de ruido.

Puentes H

El puente H es un dispositivo que permite el control bidireccional de los motores de continua. Está diseñado de tal manera que se conecta a VCC y a través de una entrada de control, se puede elegir el sentido de la corriente.

PWM

El PWM es modulación por ancho de pulso. Se trata de una señal digital periódica en la que se modifica el porcentaje de tiempo activa. Este porcentaje se denomina ciclo de trabajo. Este sistema tiene dos utilidades: El control del puente H, permitiendo regular la velocidad del giro. En esta función, se utiliza todo el rango posible del ciclo de trabajo. La segunda utilidad es el control de giro de los servomotores. Dado que la BeagleBone

Control de la placa

BeagleBone

La placa de control BeagleBone [11] es una versión posterior de la iniciativa inicial BeagleBoard.La BeagleBone salió al mercado en 2011 con un procesador de ARM-A8 a 720 MHz, 256MB de RAM y dos conectores de 46 pines. La siguiente versión que salió fue la BeagleBone Black (2013) y presentaba unas mejoras tales que 512 MB de RAM, el mismo procesador pero a 1 GHz, una memoria eMMC de 2 GHz y un puerto HDMI.

La BeagleBone Black permite instalar el SO de control de la placa en la memoria eMMC y además poder acceder a un segundo SO a través de la tarjeta de memoria micro SD. En cambio la placa BeagleBone debe obtener el sistema operativo a través de la tarjeta de memoria micro SD.

La placa que se usa en este proyecto es la BeagleBone y esta versión tiene como sistema operativo Debian, que se coordina gracias a una comunidad de desarrolladores y usuarios que mantiene el sistema operativo GNU y que está basado en software libre. Se puede observar la placa en la figura 81.a y los principales componentes en la figura 81.b.

Comunicación con la BeagleBone

Para conectar la BeagleBone al ordenador, hay dos opciones disponibles, conexión a través del cable micro-USB o conexión a través del cable Ethernet y una alimentación de 5V externa. En este proyecto se ha elegido la segunda opción, pues facilita los ajustes de conexión.

En este proyecto se ha optado por la comunicación con la BeagleBone mediante una conexión SSH en la red local creada entre el ordenador y la propia BeagleBone.

Programación

Tras configurar correctamente la conexión a la placa, se deben instalar ciertas librerías que permiten ejecutar comandos de configuración y de control en Python. Para este proyecto se ha instalado la librería de Adafruit_BBIO, tal como se muestra en su

BIBLIOGRAFÍA

Rodriguez, S. (2015). Desarrollo de un brazo mecánico articulado electro-neumático.