Diseño y Construcción de un Robot SCARA con Base Móvil

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4. El brazo robótico

4.1 Diseño del brazo

Para el diseño de nuestro brazo robótico se requiere de parámetros establecidos, tomando en cuenta el tipo de material que cumpla con las características más versátiles. El diseño se llevó a cabo en el programa llamado SolidWork. En la figura 4 se visualiza el diseño de nuestro brazo robótico que se obtuvo al manejar los parámetros establecidos. Podemos visualizar de forma general, los elementos que componen a nuestro robot, tenemos una mesa, tres eslabones enumerados de forma consecutiva, tornillos de sujeción, Serbomotores Dynamixel AX-12A, con sus respectivas horquillas de sujeción y por último tenemos un electroimán que realiza la función de actuador.

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Figura 4. Diseño del brazo robótico

En la figura 5 se muestra la forma de ensamblaje de cada pieza para que el robot tenga un funcionamiento óptimo.

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Figura 5. Ensamble del brazo robótico

Se cuenta con una mesa, la cual brinda el soporte y la estabilidad al brazo robótico. La mesa cuenta con una ranura rectangular. La existencia de la ranura es para obtener un acoplamiento entre la mesa y el eslabón numero uno. El eslabón número uno, es el elemento que brinda el soporte del peso del brazo robótico y también cuenta con una ranura para el acoplamiento de la horquilla del Serbomotor. La horquilla del Serbomotor nos brinda la sujeción de este con el eslabón número uno. Entre la horquilla y el Serbomotor existe una tapadera fundamental que sirve para la sujeción de ambos elementos. El Serbomotor el es que proporciona la potencia para producir movimientos rotativos al brazo robótico de acuerdo a las indicaciones programas por el usuario. En el eje rotativo del Serbomotor existe un elemento que sirve para hacer el ensamble con la pieza que se desea rotar. En este caso, al primer Serbomotor se le acopla el segundo Serbomotor, el cual cuenta con los mismos elementos de ensamblaje que el primero. Este segundo Serbomotor se encarga de hacer girar al eslabón número dos junto con los elementos procedentes utilizando menos energía que el primero. El eslabón número dos se encarga de unir al Serbomotor dos con el tres. El Serbomotor tres se encarga de hacer girar al eslabón número tres. El eslabón tres está unido directamente con el Serbomotor tres y con el elemento final (actuador). El elemento final es un electroimán, el cual consiste en una bobina formada con un tornillo envuelta en alambre de cobre. El electroimán funciona al ser energizado por un par de baterías, con el propósito de producir energía magnética en su extremo libre y poder así transportar material sólido de hierro.

Las longitudes de los eslabones de nuestro brazo robótico son las que se muestran en la figura 6.

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Figura 6. Longitudes de los eslabones

El eslabón número uno tiene una longitud vertical de 15 cm. Es una longitud adecuada para expandir el espacio de trabajo de nuestro brazo robótico hacia la parte negativa del eje z.

El eslabón número dos tiene una longitud horizontal de 5 cm. Esta longitud es muy pequeña con el motivo de evitar un mayor gasto de energía en el segundo Serbomotor. Con longitudes horizontales grandes el peso aumenta y por lo tanto hay un consumo excesivo de energía en el Serbomotor.

La longitud del eslabón número tres es de 7.6 cm. Esta longitud ayuda obtener un espacio de trabajo más amplio de nuestro brazo robótico.

Por último la longitud del elemento final (el actuador) que es el electroimán es de 6.4 cm. Longitud que permite reducir el peso del electroimán con el propósito de usar menos potencia de los Serbomotores.

4.2 Cinemática directa y programación en MATLAB.

Una vez definido el diseño y conocido los parámetros del prototipo se procede a establecer las ecuaciones de la cinemática directa de nuestras articulaciones. Las ecuaciones de la cinemática directa del brazo son (1) y (2) [1]:

Px = L1Sin(ϴ1) + L2Sin(ϴ1 + ϴ2) (1)

Py = -L1Cos(ϴ1) - L2Cos(ϴ1 + ϴ2) (2)

Con estas ecuaciones podemos determinar los puntos Px y Py conociendo las longitudes L1 y L2 y los ángulos de giro ϴ1 y ϴ2.

Con estas mismas ecuaciones y parámetros se procede a realizar la programación de la cinemática directa en el programa MATLAB. En la figura 7 se muestra el primer paso que es el establecimiento de las longitudes del brazo robótico.

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Figura 7. Establecimiento de las longitudes del brazo robótico

Establecemos los ángulos de las articulaciones del brazo, los cuales se definen con la letra Q, los valores de cada ángulo son los siguientes:

Q1 = 0;

Q2 = 0;

Q3 = 0;

Se definen las posiciones para graficar el eslabón fijo. En la figura 8 se muestran las equivalencias de estas posiciones.

[pic 8]

Figura 8. Definición de las posiciones para graficar el eslabón fijo.

Definimos la posición de la primera articulación. Los valores de la posición de la primera articulación son:

Px4 = L2;

Py4 = 0;

Pz4 = L1 + L3;

Definimos la posición de la segunda articulación. Los valores de la posición de la segunda articulación son:

Px5 = L4*cosd (Q1) + L2;

Py5 = L4*sind (Q1);

Pz5 = L1 + L3;

Definimos la posición de la tercera articulación Los valores de la posición de la segunda articulación son:

Px6 = L2 + L4*cosd(Q1) + L5*cosd(Q1)*cosd(Q2);

Py6 = L4*sind(Q1) + L5*cosd(Q2)*sind(Q1);