ROBOT ESFRICO DE 4 GRADOS DE LIBERTAD PARA

ROBOT ESFÉRICO DE 4 GRADOS DE LIBERTAD PARA MANIPULACIÓN DE OBJETOS UTILIZANDO LA PLATAFORMA ROBOTIC OPERATING SYSTEM (ROS). Presentado por: Juan David Chimarro Andrés David Enríquez 1

Historia

Morfologías de robots manipuladores

Instituciones investigadas

Objetivo General: • Diseñar e implementar un robot de morfología esférica de 4 grados de libertad para manipulación de objetos utilizando ROS.

Objetivos específicos • Analizar la cinemática inversa del robot por medio de métodos geométricos para el posicionamiento del Punto de Trabajo de la Herramienta (“Tool Center Point” - TCP) • Diseñar y construir la estructura mecánica del robot. • Implementar la etapa de electrónica de potencia para el correcto funcionamiento de los actuadores del manipulador. • Programar el sistema de control del manipulador robótico utilizando la plataforma ROS.

Alcance del proyecto El robot cuenta con los siguientes elementos: • Estructura mecánica • Transmisiones • Sistema de accionamiento • Sistema sensorial • Sistema de control • Elementos terminales o efector final

Robótica

Clasificación de los robots

Manipuladores robóticos

Estructura robots industriales

Elementos terminales para un manipulador Gripper Herramienta en el TCP

Brazo robótico

Grados de libertad

Morfologías

Efector final Cucharon para hierro fundido Tipo de Herramienta Comentarios Pinza soldadura por puntos Dos electrodos que se cierran sobre la pieza a soldar Soplete soldadura al arco Aportan el flujo de electrodo que se funde Atornillador Pinza soldadura por puntos Cucharón para colada Para trabajos de fundición Atornillador Suelen incluir la alimentación de tornillos Fresa-lija Para perfilar, eliminar rebabas, pulir, etc Pistola de pintura Por pulverización de la pintura Cañón laser Para corte de materiales, soldadura o Gripper inspección Cañón de agua a presión Para corte de materiales

Sistema de control Problema cinemático directo e inverso

Matriz de transformación homogénea

Algoritmo Denavit – Hartenberg Método Sistemático D. H.

Algoritmo Denavit – Hartenberg Matrices de transformación con parámetros mencionados.

Dinámica del robot El problema de la obtención del modelo dinámico de un robot es uno de los aspectos más complejos de la robótica. Ejemplo para un robot monoarticular Modelo dinámico de Newton de la estructura mecánica de un robot rígido

Sistema operativo ROS • Provee los servicios estándar de un sistema basa en una operativo tales como abstracción del • Se arquitectura gráfica donde hardware, control de dispositivos de bajo el procesamiento toma nivel, implementación de funcionalidad de lugar en los nodos que uso común, paso de mensajes entre pueden recibir, mandar y procesos y mantenimiento de paquetes. multiplexar mensajes de sensores, control, estados, planificaciones y actuadores, entre otros.

Sistema operativo ROS Aplicaciones paquetes ROS: • • • Percepción Identificación de Objetos Reconocimiento facial Reconocimiento de gestos Seguimiento de objetos Egomoción Comprensión de movimiento Estructura de movimientos (SFM) Visión estéreo: percepción de profundidad mediante el uso de dos cámaras Manipulación de objetos Robots móviles

Metodología y diseño del manipulador robótico

Definición de necesidades Concepto Aplicación Manufactura Control Mantenimiento Costo N° 1 2 3 Necesidad Brazo robótico de morfología esférica 4 GDL. Manipulación de objetos. Posicionamiento preciso en un área de trabajo. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Fácil ensamble. Estructura estable. Estructura estética. Movimientos precisos. Sensoramiento interno. Sensoramiento externo. Control robusto (uso del sistema ROS). Fácil de operar (HMI). Fácil mantenimiento. Bajo costo.

Especificaciones del concepto 12 11 x x x x x Costo del gripper Tipo del gripper 10 Costo del sistema operativo del robot 9 Alcance máximo del manipulador 8 Grados de libertad del manipulador 7 Costo de manufactura 6 Carga máxima Controlabilidad de motores Velocidad máxima de extremo final 5 4 3 2 1 Potencia de los motores 4 5 6 7 8 Tipo de material de la estructura 3 Necesidad Morfología esférica Manipulación de objetos Posicionamiento preciso en un área de trabajo Fácil ensamble Estructura estable Estructura estética Movimientos precisos Sensoramiento interno Densidad del material de los eslabones N° 1 2 Métrica N° N° 1 Núm. de necesidades 5 2 4, 6, 13 3 2, 7 4 3, 7, 10 5 2, 5 6 2, 7, 8, 10 7 4, 6, 12, 13 8 1, 10, 11, 12 9 1, 3, 9 10 10, 11, 12, 13 11 12 2, 4, 9, 12 13 Métricas Unidades Densidad del material de los eslabones Tipo de material de la estructura Potencia de los motores Controlabilidad de motores Carga máxima Velocidad máxima de extremo final Costo de manufactura Grados de libertad del manipulador Alcance máximo del manipulador Costo del sistema operativo del robot Tipo del gripper Costo del gripper - -

Definición del concepto N° Módulo Funciones Estructura mecánica 1 2 Dimensiones, materiales y transmisiones mecánicas de la estructura. Potencia de accionamiento 3 Accionamiento y Controlabilidad 4 Modelos técnicos para el control 5 Sensoramiento 6 Software para el control Dinámica del manipulador (torques necesarios). Tipos de actuadores. Algoritmos para resolver el problema cinemático y tipo de control del robot Sensores internos y externos. Sistema operativo del robot

Módulo de accionamiento y controlabilidad El módulo de Accionamiento y Controlabilidad hace referencia al tipo de actuadores que en este caso será por accionamiento eléctrico caracterizado por su sencillez en el control y precisión en sus movimientos, a la hora de seleccionar el tipo de actuador más conveniente. Las características a considerar son: • Potencia • Velocidad • Controlabilidad • Mantenimiento • Peso y volumen • Coste • Precisión Con esto se definen 3 tipos de actuadores eléctricos: a) Motores de corriente continua (DC). Servomotores b) Motores paso a paso c) Motores de corriente alterna (AC).

Evaluación de conceptos • Para evaluar conceptos con respecto a las necesidades del usuario y los criterios del diseñador se deben comparar puntos fuertes y débiles de los módulos que se analizaron en la definición del concepto, y seleccionar para su posterior desarrollo, para ello se usa el método ordinal corregido de los criterios ponderados. • Este método se basa en unas tablas donde cada solución, para un determinado criterio o concepto se confronta con los restantes criterios o conceptos y se asignan los valores siguientes: • 1: Si el criterio o solución de las filas es superior o mejor que el de las columnas. • 0, 5: Si el criterio o solución de las filas es equivalente o igual al de las columnas. • 0: Si el criterio o solución de las filas es inferior o peor que el de las columnas

Módulo 3: Accionamiento y Controlabilidad Ponderación de criterios de evaluación para el módulo 3 Criterio Aplicación Manufactura Control Mantenimiento Costo Aplicación - 1 0, 5 1 1 4, 5 0, 30 Manufactura 0 - 0 0 0 1 0, 07 Control 0, 5 1 - 1 0, 5 4 0, 27 Mantenimiento 0 1 0 - 0 2 0, 13 Costo 0 1 0, 5 1 - 3, 5 0, 23 Suma 15 1, 00 Solución A: Motores de corriente continua (DC). Servomotores Solución B: Motores paso a paso Solución C: Motores de corriente alterna (AC). Ponderación

Ponderación de aplicación para las alternativas del módulo 3 Aplicación Solución A Solución B Solución Ponderación de mantenimiento para las alternativas del módulo 3 Ponderación Mantenimiento Solución A Solución B Solución C Ponderación C Solución A - 1 0, 5 2, 5 0, 42 Solución A - 0, 5 1 2, 5 0, 42 Solución B 0 - 0, 5 1, 5 0, 25 Solución B 0, 5 - 1 2, 5 0, 42 Solución C 0, 5 - 2 0, 33 Solución C 0 0 - 1 0, 17 Suma 6 1, 00 Ponderación de manufactura para las alternativas del módulo 3 Manufactur Solución A Solución B Solución a Ponderación de costo para las alternativas del módulo 3 Ponderación Costo Solución A - 0, 5 1 2, 5 0, 42 Solución B 0, 5 - 1 2, 5 0, 42 Solución C 0 0 - 1 0, 17 Suma 6 1, 00 Solución A Solución B Solución Ponderación C Solución A - 0, 5 1 2, 5 0, 42 Solución B 0, 5 - 1 2, 5 0, 42 0 0 - 1 0, 17 Solución C Suma 6 1, 00 Conclusión en la selección de alternativa de diseño al módulo 3 Ponderación de control para las alternativas del módulo 3 Control Solución A Solución B C Ponderación Aplicación C Manufactur Control Mantenimiento Costo Orden de selección a Solución A - 1 1 3 0, 50 Solución A 0, 13 0, 03 0, 13 0, 06 0, 08 0, 42 1 Solución B 0 - 1 2 0, 33 Solución B 0, 08 0, 03 0, 09 0, 06 0, 12 0, 36 2 0 0 - 1 0, 17 0, 10 0, 01 0, 04 0, 02 0, 04 0, 22 3 Suma 6 1, 00 Solución C

Selección del concepto Módulos Definición Módulo 1 Estructura mecánica Módulo 2 Módulo 3 Módulo 4 Módulo 5 Selección - Tamaño mediano. Material TOL. Articulación cintura: plato giratorio. Articulación hombro: reducción de engranes. Articulación codo prismático: cilindro eléctrico Potencia de accionamiento - Modelo dinámico de Newton Accionamiento y Controlabilidad - Motores de corriente continua (DC). Servomotores Modelos técnicos para el control - Algoritmo de Denavit-Hartenberg. - Control PID Sensorial Sensoramiento interno: - Sensor posición y velocidad: encoder absoluto. Sensoramiento externo: - Sensor presencia. Módulo 6 Software para control - Sistema Operativo Robótico (Robot Operating System, ROS)

Desarrollo del concepto Módulo 1: Estructura mecánica 580 mm 430 mm

Articulación base Número 1 2 3 4 5 Descripción del componente Plato giratorio Piñón móvil Engrane fijo Base Actuador de la base

Articulación hombro Número 1 2 3 4 5 6 7 Descripción del componente Piñón impulsor Engrane impulsado Flecha de giro del hombro Actuador del hombro Soporte del hombro Columna Soportes de la columna

Articulación codo prismático Actuador lineal- LACT 8 P Especificación Magnitud Tensión De Funcionamiento Capacidad estática Capacidad de carga Velocidad con carga máx. Peso del actuador lineal Longitud de carrera Longitud cuando está retraído Longitud cuando está extendido Posición/Feedback Lista de controladores Sí Arduino

Módulo 2: Potencia de accionamiento Cálculo de potencia del actuador de la articulación base del robot N° 1 2, 3, 4, 5 6 7 8 9, 10 11 12 13 Sólidos Columna del robot Soportes de la columna robot Soporte del hombro piñón impulsor hombro engrane impulsado hombro rodamientos en el eje del hombro Eje soporte del cilindro eléctrico Cilindro eléctrico Gripper

Cálculo de potencia del actuador de la articulación hombro del robot N° 1 2 3 Sólidos Eje soporte del cilindro eléctrico Cilindro eléctrico Gripper

Módulo 3: Accionamiento y controlabilidad Especificación Tensión De Funcionamiento Magnitud Puesto Torque Sin carga Velocidad Peso Tamaño Resolución Relación de Reducción Ángulo de funcionamiento Tensión De Funcionamiento Max actual Corriente espera Temperatura de funcionamiento Protocolo Límite Módulo Velocidad de comunicación TTL Half Duplex asíncrono de serie 254 direcciones válidas Posición/Feedback Temperatura/Feedback Cargar Voltaje/Feedback Voltaje de entrada/Feedback Control PID Material Lista de controladores Sí Sí Sí Engranajes de plástico y cuerpo 3 -Pin TTL Dynamixel controladores compatibles: - Arbotrix-m robocontroler - Robotics cm-530 - Robotis usb 2 dynamixel

USB 2 Dynamixel RS 232 -nivel TTL: conector de 3 pines; se utiliza con Dynamixel series AX y MX-T. RS 485: conector de 4 pines; se utiliza con Dynamixel series RX, EX y MX-R. RS 232 DB 9: puerto serie RS 232 de 9 pines; se utiliza con Dynamixel series CM-5 o el CM-510.

Modulo 4: Modelos técnicos para el control • Cinemática del robot • Tipo de control Cinemática directa Parámetros de Denavit Hartenberg del robot esférico Eslabón i 1 2 3 4

Cinemática inversa Paso 1: Paso 2: Entonces:

Paso 3:

Tipo de control Cinemática directa Cinemática inversa

Software para el control

Construcción, implementación y evaluación del manipulador robótico

Construcción del manipulador robótico Los procesos realizados en la construcción de los elementos del manipulador incluyen torneado, fresado, corte, doblado, taladrado, remachado, entre otros.

Construcción del manipulador robótico Elementos construidos: • Articulación base Bastidor Base para rodamientos Tambor giratorio Arandela para rodamiento axial Tapa tambor Engranaje Flecha motor base Acople para sujeción motor base • Articulación Hombro Columna sujetada a tapa tambor Soporte para articulación hombro Bujes y soportes para bujes Flecha Engranaje • Articulación actuador lineal Acople entre actuador lineal y motor muñeca.

Ensamblaje

Manipulador construido

Código colores cableado

Elementos electrónicos Caja elementos electrónicos impresa en 3 D

Implementación del control en ROS config my_dynamixel Dynamixel_Controller launch robot_esferico hmi. py Workspace Robot_esferico_mover. py esferico motors. yaml Rospy ('esferico') arduino. py cinematica. py arduino. ino modo_mover. launch

Visualización de conexiones internas dentro del sistema de ROS $ roscd my_dynamixel $ roslaunch my_dynamixel modo_mover. launch $ rosrun rqt_graph

Pruebas funcionamiento Evaluación del posicionamiento del TCP mediante cinemática directa

Pruebas funcionamiento Evaluación del posicionamiento del TCP mediante cinemática inversa

Interfaz gráfica

Conclusiones y recomendaciones • La plataforma ROS facilita el desarrollo de aplicaciones en el campo de la robótica por su facilidad para interactuar con programas de tecnología abierta. • La realización de este manipulador robótico incentiva para el desarrollo de nuevos proyectos de investigación ya sean en el campo de la robótica con diferentes estrategias de control, inteligencia artificial o incursionando en robots híbridos por ejemplo combinando este manipulador con un robot móvil.

Gracias por su atención…