control brazo robotico}.pdf
TRANSCRIPT
-
GRADO EN INGENIERA ELECTRNICA Y
AUTOMTICA INDUSTRIAL
TRABAJO FIN DE GRADO
Modelo cinemtico y
control de un brazo
robtico imprimible
Tutor: Dr. Alberto Valero Gmez
Autor: D. Juan Carlos Rodrguez Zambrana
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 2
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 3
Agradecimientos
En primer lugar, quiero expresar mi agradecimiento al Departamento de Ingeniera de
Sistemas y Automtica de la Universidad Carlos III de Madrid y en especial a mi tutor, D.
Alberto Valero Gmez y a mi profesor D. Juan Gonzlez Gmez. Ellos me brindaron la
oportunidad de embarcarme en este proyecto. Adems me ensearon el maravilloso mundo
de la robtica y la impresin 3D.
Tambin quiero agradecer a mis compaeros Ana De Prado Navarrete, Mara Ramos
Montero y Jose Manzano Fraile por compartir conmigo sus conocimientos y darme todo su
apoyo. Gracias tambin a mi compaero Antonio Castro Gmez por su colaboracin y por
cederme su diseo del brazo robtico imprimible.
Por ltimo, agradecer a mi familia todo el esfuerzo que han hecho por m. Mencin
especial para mi padre que ha revisado exhaustivamente esta memoria.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 4
Resumen
El objetivo de este proyecto es el desarrollo del modelo cinemtico, el control y la
simulacin mediante un ordenador de un brazo robtico imprimible. Dicho robot es el objeto
del proyecto fin de carrera de Antonio Castro Gmez. As, se intenta dar una continuidad al
proyecto realizando una interfaz grfica para su control.
Para ello, se ha diseado e implementado un programa en C++ y OpenGL. Este
programa incorpora una interfaz grfica que permite la representacin en tres dimensiones de
la posicin y orientacin del brazo robtico. Adems se indican por pantalla los valores de los
ngulos de los ejes y la posicin del extremo del robot.
El funcionamiento del programa consta de los siguientes pasos: el usuario manda una
orden a travs del gamepad, se recibe y se analiza el mensaje, se simula los movimientos en la
pantalla y, finalmente, se ejecuta la orden en el robot real.
Se ha dotado al simulador de tres modos de funcionamiento. En primer lugar, tenemos
el modo de teleoperacin en el que el usuario mueve el robot a travs de los botones del
gamepad. En segundo lugar, el modo de grabacin permite guardar una sucesin de
movimientos realizado por el usuario y posteriormente reproducirlos en el robot real. En
tercer y ltimo lugar, con el modo de posicionamiento el usuario puede introducir las
coordenadas de un punto del espacio donde se situar el extremo del robot.
Se ha elaborado el modelo cinemtico completo del brazo robtico. Por un lado, el
problema de la cinemtica directa ha sido solucionado a travs del algoritmo de Denavit-
Hartenberg. Por otro lado, se ha resuelto la cinemtica inversa a travs de mtodos
geomtricos.
Para la comunicacin entre el robot y el punto de control (un ordenador) se
contemplan dos posibilidades. La primera es la utilizacin de un cable USB que otorga mayor
fiabilidad a la comunicacin. La segunda posibilidad utiliza comunicacin inalmbrica mediante
Bluetooth, permitiendo un movimiento ms libre de hasta 9 metros de distancia al punto de
control.
El propsito final es la obtencin de un brazo robtico imprimible, de bajo coste y con
un mtodo de control y simulacin de fcil manejo. Tanto las piezas del robot como el
software que lo controla estn en cdigo abierto. De esta forma, se posibilita la modificacin,
ampliacin o mejora del proyecto por parte de la comunidad.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 5
Abstract
The objective of this project is to develop the kinematic model, the control and
simulation using a computer of a printable robotic arm. This robot is the subject of the final
project of Antonio Castro Gmez. The intention is to give continuity to the project by making a
GUI for its control.
To do this, we have designed and implemented a program in C + + and OpenGL. This
program has a graphical interface that displays a three-dimensional representation of the
position and orientation of the robot arm. Furthermore the values of the angles of the axes
and the position of the end of the robot are indicated on the screen.
The operation of the program consists of the following steps: the user sends a
command through the gamepad, the message is received and analyzed, it simulates the
movements on the screen and, finally, the command is executed by the real robot.
The simulator has been provided with three operating modes. First, we teleoperation
mode in which the user moves the robot with the buttons on the gamepad. Second, the
recording mode to save a sequence of movements performed by the user and then reproduces
them on the real robot. Third and finally, with the positioning mode the user can enter the
coordinates of a point in space where you will place the end of the robot.
We have developed complete kinematic model of the robotic arm. On one hand, the
direct kinematic problem has been solved through Denavit-Hartenberg algorithm. On the
other hand, inverse kinematics resolved through geometric methods.
For communication between the robot and the control point (a computer) there are
two possibilities. The first is the use of a USB for added reliability in communication. The
second possibility uses Bluetooth wireless communication, allowing freer movement of up to 9
meters away from the checkpoint.
The final purpose is to obtain a low cost printable robotic arm with an easy to use
control and simulation method. Both, the robot parts and the control software are open
source. Thus, it allows the modification, extension or improvement of the project by the
community.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 6
ndice
1. INTRODUCCIN ....................................................................................................................... 11
1.1. OBJETIVOS ........................................................................................................................ 11
Comunicacin .............................................................................................................. 11
Simulacin en 3D del brazo robtico .......................................................................... 11
Cinemtica directa e inversa del brazo robtico ......................................................... 11
Teleoperacin remota ................................................................................................. 11
Grabacin de movimientos ......................................................................................... 11
Posicionamiento .......................................................................................................... 11
1.1. ANLISIS DEL PROBLEMA ................................................................................................. 12
1.3. SOLUCIONES EXISTENTES ................................................................................................. 12
Software privado de fabricantes de robots ................................................................ 12
OpenRAVE ................................................................................................................... 14
2. ELEMENTOS Y MEDIOS UTILIZADOS ........................................................................................ 16
2.1. IMPRESORA 3D ................................................................................................................. 16
2.2. SERVOMOTORES .............................................................................................................. 17
2.3. MICROCONTROLADOR ..................................................................................................... 18
2.5. GAMEPAD ......................................................................................................................... 19
Botones ....................................................................................................................... 20
Joysticks ....................................................................................................................... 20
2.6. BATERA ............................................................................................................................ 21
2.7. UBEC: REGULADOR DE VOLTAJE ...................................................................................... 22
2.8. CONEXIN INALMBRICA: MDULO BLUETOOTH .......................................................... 22
3. ANLISIS DEL ROBOT ............................................................................................................... 23
3.1. DISEO ............................................................................................................................. 25
3.2. MORFOLOGA ................................................................................................................... 27
Estructura mecnica .................................................................................................... 27
Sistema de accionamiento .......................................................................................... 29
Sistema de control....................................................................................................... 29
Elementos terminales ................................................................................................. 29
3.3. CINEMTICA ..................................................................................................................... 30
Cinemtica directa ...................................................................................................... 31
Cinemtica Inversa ...................................................................................................... 34
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 7
Cinemtica inversa para el posicionamiento .............................................................. 34
4. CONTROL Y SIMULACIN ........................................................................................................ 38
4.1. CONTROL .......................................................................................................................... 40
4.2. SIMULACIN ..................................................................................................................... 41
4.3. IMPLEMENTACIN DEL PROGRAMA ................................................................................ 42
LENGUAJE DE PROGRAMACIN C++ ........................................................................... 42
OPENGL (GLU, GLUT Y GLUI) ....................................................................................... 42
CLASES ......................................................................................................................... 44
PROCESOS.................................................................................................................... 51
4.4. DISEO DEL SIMULADOR ................................................................................................. 55
4.5. ENVO Y GRABACIN DE DATOS ...................................................................................... 58
4.6. FIRMWARE MICROCONTROLADOR .................................................................................. 59
5. PUESTA EN FUNCIONAMIENTO ............................................................................................... 60
HARDWARE ............................................................................................................................. 60
SOFTWARE .................................................................................................................................. 63
6. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 64
PROYECTOS FUTUROS ................................................................................................. 65
7. BIBLIOGRAFA .......................................................................................................................... 66
Recursos en formato fsico .......................................................................................... 66
Recursos en formato electrnico ................................................................................ 66
8. ANEXOS ................................................................................................................................... 67
8.1. PLANOS ............................................................................................................................. 67
PLANO 1 - CONEXIONADO DE CABLES DE CONTROL .................................................. 67
PLANO 2 CONESIONADO DE CABLES DE ALIMENTACIN ........................................ 67
PLANO 3 - CONEXIONADO DEL MDULO BLUETOOTH .............................................. 67
8.2. PRESUPUESTO .................................................................................................................. 71
8.3. INSTALACIN DE LIBRERAS ............................................................................................. 72
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 8
ndice de Ilustraciones
Ilustracin 1. Software RobotStudio de la empresa ABB ............................................................ 13
Ilustracin 2. Software KUKASim de la empresa KUKA ............................................................... 13
Ilustracin 3. Simulador OpenGRASP adaptacin de OpenRAVE ............................................... 14
Ilustracin 4. Simulador OpenMR adaptacin de OpenRAVE ..................................................... 15
Ilustracin 5. Impresora 3D modelo Thig-o-matic de Makerbot Industries ............................... 16
Ilustracin 6. Servomotor Futaba S3305 ..................................................................................... 17
Ilustracin 7. Dimensiones de los servomotores Futaba. ........................................................... 17
Ilustracin 8. Micro-servomotor Tower Pro modelo SG90 ......................................................... 17
Ilustracin 9. Dimensiones de los micro-servomotores .............................................................. 17
Ilustracin 10. Microcontrolador Arduino UNO. ......................................................................... 18
Ilustracin 11. Gamepad (mando de control) ............................................................................. 19
Ilustracin 12. Gamepad vista frontal. Numeracin de los botones. ......................................... 20
Ilustracin 13. Ejes de los Joysticks frontales del Gamepad. ...................................................... 20
Ilustracin 14. Imagen de la batera de tipo LiPo ........................................................................ 21
Ilustracin 15. UBEC regulador de voltaje................................................................................... 22
Ilustracin 16. Mdulo JY-MCU Arduino Bluetooth Wireless Serial Port. .................................. 22
Ilustracin 17. Esquema con la ubicacin de los ejes del robot.................................................. 24
Ilustracin 18. rea de trabajo del robot en un plano ................................................................ 24
Ilustracin 19. Fotografa del brazo robtico completo ............................................................. 25
Ilustracin 20. Fotografa de la mueca del brazo robtico ....................................................... 26
Ilustracin 21. Fotografa del brazo robtico completo en posicin vertical ............................. 26
Ilustracin 22. Imagen del sistema de unin entre dos de los eslabones. ................................. 27
Ilustracin 23. Movimiento de rotacin de las articulaciones .................................................... 27
Ilustracin 24. Servomotor inferior de la base del robot. ........................................................... 28
Ilustracin 25. Servomotor superior de la base del robot. ......................................................... 28
Ilustracin 26. Configuracin angular o antropomrfica ............................................................ 28
Ilustracin 27. Pinza imprimible utilizada como herramienta del robot. ................................... 29
Ilustracin 28. Diagrama de relacin entre cinemtica inversa y directa. .................................. 30
Ilustracin 29. Diagrama con los sistemas de referencia, eslabones y ejes del robot ................ 31
Ilustracin 30. Diagrama con los sistemas de referencia y los ejes del robot ............................ 31
Ilustracin 31. Esquemtico de los 3 primeros GDL del robot. ................................................... 35
Ilustracin 32. Configuraciones codo arriba y abajo ................................................................... 36
Ilustracin 33. Esquema de interaccin entre el usuario y el simulador .................................... 38
Ilustracin 34. Esquema de interaccin (Usuario-Ordenador-Robot) ........................................ 38
Ilustracin 35. Captura de pantalla del simulador. ..................................................................... 41
Ilustracin 36. Entorno de desarrollo QTCreator. ....................................................................... 42
Ilustracin 37. Ejemplo de una escena desarrollada con GLU. ................................................... 43
Ilustracin 38. Diagrama UML de las relaciones entre las clases encargadas del dibujado. ...... 45
Ilustracin 39. Diagrama UML de la clase ObjectGL. .................................................................. 45
Ilustracin 40. Diagrama UML de la clase Cuboid. ...................................................................... 46
Ilustracin 41. Diagrama UML de la clase SolidCylinder. ............................................................ 46
Ilustracin 42. Diagrama UML de la clase FirstLink. .................................................................... 46
Ilustracin 43. Diagrama UML de la clase Angle. ........................................................................ 47
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 9
Ilustracin 44. Diagrama UML de la clase Position. .................................................................... 47
Ilustracin 45. Diagrama UML de la relacin entre las clases Matrix y MatrixDH. ..................... 48
Ilustracin 46. Relacin entre las clases Joystick, ArduSerialStream y GamePad2Arduino ........ 49
Ilustracin 47. Diagrama UML de la clase GamePad2Arduino.................................................... 49
Ilustracin 48. Diagrama UML de la clase Joystick. ..................................................................... 50
Ilustracin 49. Diagrama ULM de la clase ArduSerialStream ...................................................... 50
Ilustracin 50. Captura de pantalla del proceso de calibracin del gamepad ............................ 51
Ilustracin 51. Diagrama de flujo principal del programa. .......................................................... 52
Ilustracin 52. Diagrama de flujo del bucle principal (glutMainLoop) ........................................ 53
Ilustracin 53. Diagrama de flujo de la funcin OnDraw ............................................................ 54
Ilustracin 54. Representacin de un objeto de la clase Cuboid ................................................ 55
Ilustracin 55. Representacin de un objeto de la clase SolidCylinder ...................................... 56
Ilustracin 56. Secuencia de dibujado de la Base, los soportes y el primer eslabn .................. 56
Ilustracin 57. Secuencia de dibujado de los eslabones segundo, tercero y cuarto. ................. 57
Ilustracin 58. Representacin del robot completo con la pinza abierta en su extremo. .......... 57
Ilustracin 59. Entorno de desarrollo Arduino IDE ..................................................................... 59
Ilustracin 60. Esquema de conexionado de los cables de control de los servos ....................... 60
Ilustracin 61. Esquema de conexionado USB ............................................................................ 61
Ilustracin 62. Esquema de conexionado USB y Bluetooth ........................................................ 61
Ilustracin 63. Esquema de conexionado del mdulo bluetooth con el microcontrolador ....... 61
Ilustracin 64. Esquema de conexionado de alimentacin ........................................................ 62
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 10
ndice de tablas
Tabla 1. Caractersticas principales de los servomotores utilizados ........................................... 18
Tabla 2. Caractersticas principales del microcontrolador utilizado ........................................... 19
Tabla 3. Caractersticas principales de la batera utilizada ......................................................... 21
Tabla 4. Caractersticas del UBEC ................................................................................................ 22
Tabla 5. Caractersticas del mdulo Bluetooth. .......................................................................... 22
Tabla 6. Clasificacin de los robots segn la AFRI ....................................................................... 23
Tabla 7. Parmetros Denavit-Hartenberg ................................................................................... 32
Tabla 8. Funcionalidad de los botones del Gamepad ................................................................. 40
Tabla 9. Funcionalidad de los josysticks del gamepad ................................................................ 40
Tabla 10. Descripcin de las clases cuya funcin es el dibujado................................................. 44
Tabla 11. Definicin de las clases cuya funcin es el clculo y la visualizacin de parmetros.. 47
Tabla 12. Descripcin de las clases dedicadas a la comunicacin entre el Gamepad y el
microcontrolador. ....................................................................................................................... 49
Tabla 13. Asignacin de puertos a los perifricos ....................................................................... 63
ndice de ecuaciones
Ecuacin 1. Obtencin de la Matriz de transformacin D-H ....................................................... 32
Ecuacin 2. Matriz de transformacin D-H ................................................................................. 32
Ecuacin 3. Resultados obtenidos de la Matrices de transformacin (i-1Ai). .............................. 33
Ecuacin 4. Producto para la obtencin de la matriz de transformacin T. ............................... 33
Ecuacin 5. Matriz de Transformacin T ..................................................................................... 33
Ecuacin 6. Forma de las soluciones de la cinemtica inversa. .................................................. 34
Ecuacin 7. Forma de las soluciones de posicionamiento. ......................................................... 34
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 11
1. INTRODUCCIN
1.1. OBJETIVOS
El objetivo principal de este proyecto es el desarrollo del modelo cinemtico, el control
y la simulacin de un brazo robtico imprimible. A continuacin se expone en detalle, los
diferentes puntos que abarca el proyecto:
Comunicacin
El usuario podr comunicar rdenes de actuacin al robot a travs del teclado o del
gamepad. El programa interpreta las indicaciones, muestra la nueva posicin del robot en el
simulador y se comunica con el microcontrolador. ste interpreta el mensaje y manda las
seales a los servomotores para que adopten la posicin correspondiente.
Simulacin en 3D del brazo robtico
Para la simulacin en 3D del brazo robtico, se implementar una interfaz grfica que
muestra una representacin del robot con un posicionamiento y orientacin determinados.
Adems se muestran por pantalla los valores de los ejes y la posicin del extremo del robot.
Cinemtica directa e inversa del brazo robtico
Se quiere dar solucin al problema cinemtico directo e inverso del brazo robtico
objeto de este trabajo. As, se obtiene la posicin del extremo del robot a partir de los valores
de los ngulos del mismo y viceversa.
Teleoperacin remota
La operacin remota del brazo robtico se posibilita gracias al simulador y al gamepad.
El usuario recibe la informacin grfica del posicionamiento y la orientacin del robot a travs
del monitor del ordenador. Esto posibilita teleoperar el robot gracias a la representacin
grfica del simulador.
Grabacin de movimientos
La grabacin de movimientos ser posible gracias al programa de simulacin. As, el
usuario podr realizar la grabacin de movimientos simulados y reproducirlos en el robot real.
Posicionamiento
El usuario podr especificar un punto del espacio y ordenar al robot que adopte dicha
posicin. Esto ser posible gracias a la implementacin de un modelo cinemtico inverso
completo.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 12
1.1. ANLISIS DEL PROBLEMA
Para realizar el control y la simulacin, de un brazo robtico imprimible se nos plantean los
siguientes problemas:
1. Comunicar el gamepad con el ordenador y ste con el microcontrolador para controlar
los movimientos del robot.
2. Realizar un simulador del robot con una representacin 3D de la posicin y la
orientacin del mismo.
3. Mostrar los valores numricos de la posicin del extremo del robot (x, y, z) por
pantalla. Para ello ser necesario solucionar el problema de la cinemtica directa del
robot.
4. Conseguir que el robot alcance la posicin del espacio (x, y, z) indicada por el usuario.
Para ello ser necesario solucionar el problema de la cinemtica inversa.
5. Realizar la grabacin de los movimientos seleccionados por el usuario y reproducirlos
posteriormente.
1.3. SOLUCIONES EXISTENTES
Entre las soluciones existentes para el control y la simulacin de brazos robticos
podemos diferenciar dos mbitos:
Software privado de fabricantes de robots
Diferentes proyectos OpenSource como puede ser OpenRAVE.
Software privado de fabricantes de robots
Los fabricantes de robots poseen sus propios programas para el control y la simulacin
de sus productos. Se trata de software privado, muy elaborado y que conlleva un alto coste
monetario. ste software permite:
El control de los ejes del robot
La grabacin de puntos y trayectorias
La programacin offline de los robots
La elaboracin de simulaciones complejas
Gracias a estos programas, antes de iniciar la puesta en servicio, se puede comprobar
los procesos y, si procede, optimizarlos y validarlos.
Existen diversas empresas dedicadas a la fabricacin de robots pudiendo mencionar
fabricantes como ABB, KUKA, Toshiba, Honda, Epson, etc. Elegiremos los dos primeros
fabricantes para analizar sus programas de simulacin.
El fabricante ABB es propietario de un software llamado RobotStudio. Adems, cuenta
con un lenguaje de programacin propio llamado Rapid. El entorno grfico de RobotStudio
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 13
est compuesto por mens con una extensa variedad de herramienta. A continuacin
podemos ver una captura de pantalla del programa.
Ilustracin 1. Software RobotStudio de la empresa ABB
El fabricante KUKA posee un software llamado KUKASim. Ofrece prcticamente las
mismas posibilidades que el programa de ABB. El entorno grfico tambin es similar como se
puede apreciar en la siguiente ilustracin.
Ilustracin 2. Software KUKASim de la empresa KUKA
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 14
OpenRAVE
OpenRave es un entorno libre para la simulacin, modelado y planificacin de robots,
desarrollado por la comunidad cientfica. Es utilizado por investigadores de todo el mundo
para realizar experimentos con sus ltimos robots y/o algoritmos.
La atencin se centra en la simulacin y anlisis de la informacin geomtrica y
cinemtica relacionados con la planificacin de movimiento. Permite una integracin sencilla
en los sistemas existentes de robtica. Las caractersticas principales de OpenRAVE son:
Libre: cualquiera puede modificarlo para adaptarlo a sus necesidades.
Multiplataforma: Linux/Mac/Windows.
Creado por investigadores para investigadores.
Utiliza el motor fsico ODE (Open Dynamics Engine).
Se pueden modelar piezas con mucho detalle.
El visualizador de OpenRave permite interactuacin con los objetos fsicos de la
simulacin.
Facilidad para generar vdeos de las simulaciones.
Existen diversos proyectos que, tomando OpenRAVE como base, realizan adaptaciones
como es el caso de OpenGRASP. Se trata un conjunto de herramientas de cdigo fuente
abierto para la simulacin del agarre y manipulacin.
Ilustracin 3. Simulador OpenGRASP adaptacin de OpenRAVE
Otro ejemplo de adaptacin de OpenRave, realizada por Juan Gonzlez Gmez, es la
denominada OpenMR. sta se centra en la simulacin de la locomocin de los robots
modulares. A continuacin se muestra una captura de pantalla de dicho simulador.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 15
Ilustracin 4. Simulador OpenMR adaptacin de OpenRAVE
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 16
2. ELEMENTOS Y MEDIOS UTILIZADOS
En este apartado se describe los elementos utilizados en el proyecto. Principalmente
cabe destacar la impresora 3D utilizada para la fabricacin de las piezas y los servomotores
que dan movimiento al brazo robtico.
Mencionaremos el microcontrolador que regir el comportamiento de los
anteriormente mencionados servomotores. Por ltimo describiremos el mando o gamepad
utilizado que ser la herramienta mediante la cual el usuario controlar los movimientos del
brazo robtico.
2.1. IMPRESORA 3D
Para la construccin de las piezas que forman el brazo robtico se ha utilizado una
impresora 3D. El funcionamiento de sta consiste en la extrusin, a alta temperatura, de un
polmero termoplstico. ste es extruido en finas lneas creando formas por capas.
Las dos impresoras utilizadas pertenecen a la Universidad Carlos III de Madrid. Son del
modelo Thing-o-matic fabricadas por la empresa Makerbot Industries. En la ilustracin
siguiente, podemos ver una imagen frontal de una de las impresoras 3D utilizadas.
Ilustracin 5. Impresora 3D modelo Thig-o-matic de Makerbot Industries
En concreto, el plstico utilizado es el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). Las dos
impresoras utilizadas requieren un dimetro distinto de plstico. ste puede ser de 3.00 mm o
1.75 mm segn utilicemos una y otra impresora.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 17
2.2. SERVOMOTORES
Para dar movimiento al brazo robtico imprimible se han utilizado tres servomotores
modelo S3003 y uno modelo S3305 todos ellos de la marca Futaba. stos se ocupan del
movimiento de la base y los dos primeros eslabones. Adems el brazo robtico cuenta con
cuatro micro-servomotores cuyo modelo es el SG90 de TowerPro. ste modelo, de reducido
peso y tamao, se empleado en el ltimo eslabn y en la mueca del robot.
A continuacin se muestran las imgenes correspondientes a los diferentes
servomotores empleados. Adems de un esquemtico mostrando las dimensiones de stos.
Ilustracin 6. Servomotor Futaba S3305
Ilustracin 7. Dimensiones de los servomotores Futaba.
Ilustracin 8. Micro-servomotor Tower Pro modelo SG90
Ilustracin 9. Dimensiones de los micro-
servomotores
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 18
Los modelos S3003 y S3305 son anlogos con excepcin de su torque y su peso. En la
tabla siguiente podemos ver una comparacin de las diferentes caractersticas de los
servomotores utilizados.
Tabla 1. Caractersticas principales de los servomotores utilizados
Caractersticas Tipo de servomotor
FUTABA S3305 FUTABA S3003 Tower Pro SG90
Sistema de control PWM PWM PWM
Tensin de funcionamiento [V] 4.8-6.0 4.8-6.0 4.0-7.2
Velocidad (a 6.0V) [s/] 0.2s/60 0.19s/60 0.12s/60
Torque (a 6.0V) [kgcm] 8.9 4.1 1.2
Tamao [mm] 40x20x38.1 40x20x38.1 22.5x12.0x26.5
Peso [g] 46.5 37.2 9.0
2.3. MICROCONTROLADOR
El microcontrolador empleado es el Arduino UNO. Utiliza un microprocesador
ATMEGA328 del fabricante Atmel. Se han utilizado las salidas digitales y PWM para el control
de los servomotores. A continuacin se muestra una imagen de dicho microcontrolador.
Ilustracin 10. Microcontrolador Arduino UNO.
La alimentacin y la transmisin de datos desde el ordenador hacia el
microcontrolador se realizan mediante un cable USB. Para el control de los servos el
microcontrolador dispone de libreras especficas.
Los servomotores necesitan para su funcionamiento una seal de control de tipo
PWM. El microcontrolador dispone de 14 salidas digitales de las cuales 6 proporcionan dicha
seal PWM. No obstante, se podrn generar ms salidas de ese tipo mediante el software
interno.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 19
Las caractersticas principales del microcontrolador estn recogidas en la tabla
expuesta a continuacin.
Tabla 2. Caractersticas principales del microcontrolador utilizado
Microprocesador ATMEGA328
Tensin de funcionamiento 5V
Voltaje de entrada (recomendada) 7-12V
Voltaje de entrada (lmites) 6-20V
Entradas/salidas digitales 14
Entradas analgicas 6
Memoria Flash 32KB (ATMEGA328)
SRAM 2KB (ATMEGA328)
EPROM 1KB (ATMEGA328)
Velocidad de reloj 16MHz
2.5. GAMEPAD
Para el control de los ejes del robot se ha optado por un Gamepad. De esta forma, se
consigue un control ms sencillo del brazo robtico. El mando utilizado es un Dual Shock del
fabricante Maxwise. Se conecta al ordenador por medio de un cable USB. En la imagen
siguiente se muestra el tipo de mando de control utilizado.
Ilustracin 11. Gamepad (mando de control)
Para describir las funciones asignadas al Gamepad describiremos en primer lugar los
botones y en segundo lugar los 2 joysticks frontales. Por ltimo, se describir la programacin
realizada para el mando.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 20
Botones
Segn la configuracin del mando utilizado, los botones reciben la numeracin
que se especifica en la ilustracin 12. Se utilizarn los dos Joystick para el movimiento
de los 4 primeros ejes (q1, q2, q3 y q4) y la cruceta para los dos siguientes
pertenecientes a la mueca (q5 y q6).
Ilustracin 12. Gamepad vista frontal. Numeracin de los botones.
Joysticks
Los dos Joystick del Gamepad poseen movimiento en el eje X e Y tal y como se
muestra en la ilustracin siguiente. Adoptan valores de -180 a 180 segn la direccin y
el sentido del movimiento.
Ilustracin 13. Ejes de los Joysticks frontales del Gamepad.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 21
2.6. BATERA
Para la alimentacin tanto de los servomotores como del microcontrolador se utilizar
una batera de tipo polmero de litio (LiPo). Son una variacin de las bateras de iones de litio
(Li-ion). Poseen un tamao y peso ms reducido que las bateras de in litio adems de una
mayor densidad de energa.
Concretamente se ha utilizado la batera del fabricante DragonRed cuyas
caractersticas se detallan en la tabla siguiente.
Tabla 3. Caractersticas principales de la batera utilizada
Tipo de batera Polmero de Litio
Tensin 7.4V
Densidad de energa 5000mAh
Nmero de celdas 2
Intensidad mxima 150A
Dimensiones 132x44x21 mm
Peso 235g
Se ha elegido la utilizacin de una batera de tipo LiPo por las siguientes razones:
Alta densidad de energa, casi el doble que las basadas en Nquel.
Alto voltaje por clula, lo que permite llegar a 7,4 V en dos celdas sin ocupar
excesivo volumen y con un reducido peso.
Poca resistencia interna que permite aprovechar casi el 100% de la energa
almacenada.
Ilustracin 14. Imagen de la batera de tipo LiPo
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 22
2.7. UBEC: REGULADOR DE VOLTAJE
Un UBEC es un regulador de voltaje de tipo conmutado (switching). Soporta una
intensidad mxima de entrada de 5A y es adaptable a voltajes de entrada entre 5,5V y 23V.
Esto nos permite acoplarlo a la batera LiPo descrita anteriormente ya que suministra 7,4V.
El modelo concreto elegido para este proyecto es el UBEC de HobbyWing con voltaje
de salida seleccionable (5 o 6 voltios). Los valores de salida coinciden con los necesarios para
alimentar los servomotores sin daarlos.
Tabla 4. Caractersticas del UBEC
Tensin de salida 5V 6V
Intensidad de salida 3A
Tensin de entrada 5.5V-26V
Dimensiones 43 x 17 x 7 mm
Peso 11g
Ilustracin 15. UBEC regulador de voltaje
2.8. CONEXIN INALMBRICA: MDULO BLUETOOTH
Para conseguir una conexin inalmbrica entre el ordenador y el microcontrolador se
ha optado por incorporar a este ltimo un mdulo bluetooth. Se trata del mdulo JY-MCU
Arduino Bluetooth Wireless Serial Port. ste se conecta a travs del puerto serie al
microcontrolador Arduino UNO y se comunica a su vez con el ordenador de forma inalmbrica
gracias a la tecnologa Bluetooth. Las caractersticas se especifican en la tabla siguiente.
Tabla 5. Caractersticas del mdulo Bluetooth.
Tensin de entrada 5V
Dimensiones 44 x 16 x 7 mm
Peso 7g
Ilustracin 16. Mdulo JY-MCU Arduino Bluetooth Wireless Serial Port.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 23
3. ANLISIS DEL ROBOT
El brazo robtico, objeto de este Trabajo Fin de Grado, se ajusta a la definicin de
robot dada por la Organizacin Internacional de Estndares (ISO). Dicha definicin enuncia lo
siguiente: Un manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz
de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales segn trayectorias
variables programadas para realizar tareas diversas.
Adems podemos aadir, para completar dicha definicin, que se trata de un robot
servocontrolado, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, tiles o dispositivos
especiales. Tiene la forma de un brazo terminado en una mueca. Su unidad de control incluye
un dispositivo de memoria.
Segn la Asociacin Francesa de Robtica Industrial (AFRI) podemos clasificar el robot
como Tipo A, manipulador con control manual o telemando, cuando es teleoperado con el
Gamepad. Y gracias a la grabacin de movimientos, estaramos frente a un robot de Tipo C,
robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimientos sobre
su entorno.
Tabla 6. Clasificacin de los robots segn la AFRI
Tipo A Manipulador con control manual o telemando.
Tipo B Manipulador automtico con ciclos preajustados; regulacin mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumtico, elctrico o hidrulico.
Tipo C Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimientos sobre su entorno.
Tipo D Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en funcin de stos.
El brazo robtico posee 6 grados de libertad. A continuacin se muestra un esquema
con los seis ejes de giro que posee el brazo (ilustracin 17). Se puede observar que los ejes q1,
q4 y q6 son giros respecto a la vertical mientras que q2, q3 y q5 son giros respecto de la
horizontal.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 24
Ilustracin 17. Esquema con la ubicacin de los ejes del robot.
Una vez indicados los ejes de giro del robot podemos describir el rea de trabajo del
mismo. sta queda contenida en un plano delimitado por el ngulo de giro de la base (q1). Se
puede observar el rea de trabajo del robot en la siguiente ilustracin.
Ilustracin 18. rea de trabajo del robot en un plano
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 25
3.1. DISEO
El diseo del brazo robtico forma parte del Proyecto Fin de Carrera de Antonio Castro
Gmez. En este Trabajo Fin de Grado que nos ocupa, se ha utilizado dicho diseo con el
consentimiento expreso del autor. Se ha intentado dar una continuidad a ese proyecto
realizando el control y la simulacin de dicho robot.
Se han tomado los archivos de los diseos en formato del programa OpenSCAD
(software libre de diseo 3D), que han sido convertidos a formato STL e introducidos en las
impresoras 3D. As, mediante el software ReplicatorG de dichas impresoras se ha procedido a
la impresin de las piezas con plstico ABS.
A continuacin se muestran dos imgenes del robot completo y un detalle de la
mueca.
Ilustracin 19. Fotografa del brazo robtico completo
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 26
Ilustracin 20. Fotografa de la mueca del brazo robtico
Ilustracin 21. Fotografa del brazo robtico completo en posicin vertical
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 27
3.2. MORFOLOGA
El robot est formado por los siguientes elementos: estructura mecnica, sistema de
accionamiento, sistema de control y elementos terminales.
Estructura mecnica
Est formado por una serie de eslabones unidos mediante articulaciones que
permiten un movimiento relatico entre cada dos eslabones consecutivos. Dichos
eslabones, de plstico ABS, estn fabricados utilizando una impresora 3D.
Ilustracin 22. Imagen del sistema de unin entre dos de los eslabones.
La mecnica guarda cierta similitud con la anatoma del brazo humano. El
movimiento entre las articulaciones es de rotacin. ste movimiento est limitado
a los 180 de rotacin de los servomotores utilizados.
Ilustracin 23. Movimiento de rotacin de las articulaciones
El movimiento de rotacin de 180 era demasiado limitado para la base
restringiendo la zona de accin del robot considerablemente. Por este motico,
gracias a la utilizacin de dos servomotores conectados, se ha conseguido que la
base pueda rotar 360.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 28
Ilustracin 24. Servomotor inferior de la base del robot.
Ilustracin 25. Servomotor superior de la base del robot.
Posee seis grados de libertad (GDL). Dentro de las configuraciones ms
frecuentes en robots industriales podemos clasificarlo como robot angular o
antropomrfico.
Ilustracin 26. Configuracin angular o antropomrfica
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 29
Sistema de accionamiento
El accionamiento es directo (Direct Drive DD), ya que el eje del actuador se
conecta directamente a la articulacin, sin la utilizacin de un reductor intermedio.
Gracias a esto conseguimos un posicionamiento rpido y preciso adems de una
simplificacin del sistema mecnico al eliminarse el reductor.
Los actuadores son servomotores que emplean energa elctrica (Vase el
apartado 2.2. Servomotores).
Sistema de control
El sistema de control est formado por un microcontrolador Arduino Uno
(Vase el apartado 2.3. Microcontrolador). ste, recibe a travs del puerto serie el
mensaje enviado por el programa de simulacin y establece el comportamiento
correspondiente de los servomotores.
Elementos terminales
Como elemento terminal se ha montado una pinza accionada por un mini-
servomotor. El diseo ha sido realizado por Edgar Simo. Se han obtenido los
archivos de dicho diseo en formato STL a travs del portal de internet Thingiverse
(www.thingiverse.com). Posteriormente se imprimieron las piezas y se mont la
pinza. A continuacin mostramos una imagen de la pinza montada.
Ilustracin 27. Pinza imprimible utilizada como herramienta del robot.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 30
3.3. CINEMTICA
En este apartado analizaremos el movimiento del robot con respecto a un sistema de
referencia situado en la base. Obtendremos una descripcin analtica del movimiento espacial
y, en particular, de la posicin y orientacin del extremo final del robot.
Tenemos dos problemas a resolver en cuanto a la cinemtica del brazo robtico:
Cinemtica directa: determinar la posicin y orientacin del extremo final del
robot, con respecto a un sistema de coordenadas de referencia, conocidos los
valores de las articulaciones.
Cinemtica inversa: determinar la configuracin que debe adoptar el robot
para una posicin y orientacin del extremo conocidas.
Para solucionar el primer problema se utilizar el Algoritmo de Denavit-Hartenberg. De
esta forma, se obtiene la posicin del extremo del robot a partir de los valores de los ngulos
del mismo.
Para solucionar el problema de la cinemtica inversa se ha optado por el mtodo de la
matriz de transformacin homognea. As, se puede determinar los diferentes valores de los
ngulos de los ejes del robot para conseguir posicionar su extremo en un punto del espacio
establecido por el usuario.
Valores de las
coordenadas articulares
(q1, q2, q3, q4, q5 y q6)
Posicin y orientacin del extremo del robot
(x,y,z,,,)
Ilustracin 28. Diagrama de relacin entre cinemtica inversa y directa.
Cinemtica directa
Cinemtica inversa
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 31
Cinemtica directa
Como se ha explicado anteriormente, la cinemtica directa consiste en obtener la
posicin del robot conociendo los valores de los diferentes ngulos de los ejes del mismo. Para
conseguir dicho objetivo se ha utilizado el algoritmo de Denavit-Hartenberg (D-H).
Ilustracin 29. Diagrama con los sistemas de referencia, eslabones y ejes del robot
A continuacin se muestra un diagrama esquemtico de los diferentes sistemas de
referencia y los ejes del brazo robtico adems de la distancia entre eslabones.
Ilustracin 30. Diagrama con los sistemas de referencia y los ejes del robot
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 32
Siguiendo los pasos marcados por el Algoritmo de Denavit-Hartenberg se ha calculado
los parmetros correspondientes y se disponen en la tabla siguiente.
Tabla 7. Parmetros Denavit-Hartenberg
Articulacin d a
1 q1 L1 0 90
2 q2-90 0 L2 0
3 q3 0 0 -90
4 q4 -L3 0 90
5 q5 0 0 -90
6 q6 -L4 0 0
Para la obtencin de los parmetros se ha tenido en cuenta que:
El parmetro i es el ngulo que hay que girar sobre el eje zi-1 para que xi-1 y xi queden
paralelos.
El parmetro di es la distancia sobre el eje zi-1 que hay que desplazar el sistema i-1 para
que xi-1 y xi queden alineados.
El parmetro ai es la distancia sobre el eje xi que hay que desplazar el sistema i-1 para
que su origen coincida con el sistema i.
El parmetro i es el ngulo que hay que girar sobre xi para que el sistema i-1 coincida
con el sistema i.
Una vez hallados los parmetros se obtienen las matrices de transformacin como
expresa la siguiente ecuacin:
Ecuacin 1. Obtencin de la Matriz de transformacin D-H
Para mayor simplicidad en la notacin, el cos(i) est representado por Ci y el sen(i)
est representado por Si. La expresin anterior (ecuacin 1) se puede convertir en una nica
matriz quedando representada de la siguiente forma:
Ecuacin 2. Matriz de transformacin D-H
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 33
Ahora, una vez calculador los parmetros de Denavit-Hartenberg, podemos calcular las
matrices de transformacin de un sistema a otro. A continuacin se muestran los resultados
obtenidos:
Ecuacin 3. Resultados obtenidos de la Matrices de transformacin (i-1
Ai).
Para obtener la matriz de transformacin (T) entre la base y el extremo del robot hay
que multiplicar por las diferentes matrices de transformacin entre el sistema 0 y el sistema 6.
Se procedera de la siguiente forma:
Ecuacin 4. Producto para la obtencin de la matriz de transformacin T.
Como se puede observar en la ecuacin 5, la matriz T resultante, est formada por una
submatriz 3x3 dedicada a la orientacin ( , , ) y un vector 3x1 dedicado al posicionamiento
( ).
Ecuacin 5. Matriz de Transformacin T
Para la obtencin de los valores de la posicin (x, y, z) del extremo del robot nos
interesa el exclusivamente la ltima columna de la matriz de transformacin (T). As, para
obtenerlo, realizaremos la siguiente operacin:
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 34
Cinemtica Inversa
El objetivo del problema cinemtico inverso consiste en encontrar los valores que
deben adoptar las coordenadas articulares del robot q = [q1, q2, q3, q4, q5, q6]T para que su
extremo se posicione y oriente segn una determinada localizacin espacial.
Para resolver este problema encontraremos una solucin cerrada que tendr la
siguiente forma:
Ecuacin 6. Forma de las soluciones de la cinemtica inversa.
Para el caso que nos ocupa, la solucin del problema cinemtico inverso no es nica,
existiendo diferentes soluciones que posicionan y orientan el extremo del robot del mismo
modo. No obstante, podemos establecer restricciones para la solucin obtenida.
A pesar de las dificultades que se nos plantean se da la circunstancia de que los tres
ltimos grados de libertad, dedicados fundamentalmente a orientar el extremo del robot,
corresponden a giros sobre ejes que se cortan en un punto. De esta forma, plantearemos el
problema cinemtico inverso para el posicionamiento:
Posicionamiento: involucra a los valores de los tres primeros ejes (q1, q2, q3) y
depende del punto del espacio objetivo (x, y, z).
Ecuacin 7. Forma de las soluciones de posicionamiento.
Cinemtica inversa para el posicionamiento
Realizamos la resolucin del problema cinemtico inverso por mtodos geomtricos. El
procedimiento en s se basa en encontrar suficiente nmero de relaciones geomtricas en las
que intervendrn las coordenadas del extremo del robot (x, y, z), sus coordenadas articulares
(q1, q2, q3) y las dimensiones fsicas de los eslabones (L1, L2, L3).
Aplicamos este mtodo a los primeros 3 GDL de rotacin de nuestro robot. Los datos
de partida son las coordenadas (px,py,pz) referidas al sistema de referencia en las que se
quiere posicionar su extremo.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 35
Ilustracin 31. Esquemtico de los 3 primeros GDL del robot.
El valor de q1 se obtiene de manera inmediata:
Considerando ahora nicamente los eslabones 2 y 3 que estn situados en un plano y
utilizando el teorema del coseno, se tendr:
Esta expresin permite obtener q3 en funcin del vector posicin del extremo ( ). No
obstante por motivos de ventajas computacionales, es ms conveniente utilizar la expresin de
la arcotangente en lugar del ascoseno.
Puesto que
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 36
Se tendr que
Con
Como se ve, existen dos posibles soluciones par q3 segn tome el signo positivo o
negativo en la raz. stas corresponden a las configuraciones de codo arriba y codo abajo del
robot.
Ilustracin 32. Configuraciones codo arriba y abajo
El clculo de q2 se hace a partir de la diferencia entre y :
Siendo:
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 37
Luego, finalmente
De nuevo los dos posibles valores segn la eleccin del signo dan lugar a dos valores
diferentes de q2 correspondientes a las configuraciones codo arriba y abajo.
Las expresiones que resuelven el problema cinemtico inverso para los tres primeros
grados de libertada del robot son:
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 38
4. CONTROL Y SIMULACIN
Para el control y la simulacin del robot se ha implementado un programa en lenguaje
C++ y OpenGL. En este apartado describiremos el control realizado a travs de un gamepad y la
simulacin que representa el robot en la pantalla del ordenador.
Podemos describir el sistema como un bucle cerrado en el que el usuario ejecuta unas
acciones de control sobre el gamepad, el programa las recibe, representa la nueva posicin y
orientacin del robot y la muestra al usuario.
Ilustracin 33. Esquema de interaccin entre el usuario y el simulador
El esquema completo de interaccin entre dispositivos est formado por: el gamepad,
el ordenador, el microcontrolador y, finalmente el robot. A continuacin podemos ver de
forma esquemtica dicha interaccin.
Ilustracin 34. Esquema de interaccin (Usuario-Ordenador-Robot)
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 39
Una vez descrito el sistema podemos definir los pasos que sigue el proceso de control
y simulacin completo:
1. El usuario da una orden a travs del gamepad.
2. El ordenador recibe la orden.
3. Se modifican los valores de los ngulos de los ejes correspondientes.
4. Se muestra la nueva posicin y orientacin por pantalla en el simulador.
5. Se mandan los nuevos valores de los ejes al microcontrolador.
6. El microcontrolador manda las seales correspondientes a los servomotores
del robot.
7. El robot adopta la posicin y orientacin indicados por el usuario.
Existen tres modos de funcionamiento del programa de simulacin y control:
1. Teleoperacin: en este modo, el robot y el simulador reproducirn exactamente
las instrucciones del usuario transmitidas a travs del gamepad.
2. Grabacin de movimientos: en este modo, el usuario puede realizar la grabacin
de movimientos simulados y reproducirlos en el robot real. As, el procedimiento
para este modo es el siguiente:
- El usuario indica el inicio de la grabacin pulsando un botn.
- Una vez iniciada la grabacin el usuario realiza los movimientos que desee
visualizndolos en el simulador. stos movimientos slo se visualizarn en el
simulador no se enviarn al robot.
- El usuario indica la detencin de la grabacin cuando crea conveniente.
- Por ltimo, el usuario podr iniciar la reproduccin de los movimientos
grabados pulsando un botn. De esta forma, tanto el robot como el simulador
reproducen los movimientos preestablecidos.
3. Posicionamiento: en este modo el usuario introduce un punto del espacio y el
robot adopta dicha posicin. Para llevar a cabo este proceso se calcula la
cinemtica inversa del robot (ver apartado 3.3. Cinemtica).
Seguidamente nos centraremos de forma ms detallada en el control y la simulacin.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 40
4.1. CONTROL
El control se realiza mediante un gamepad (ver apartado 2.5. Gamepad). ste
proporcionar el control al usuario sobre los movimientos de los diferentes ejes del robot. A
continuacin recopilamos en una tabla con las funciones asociadas a los diferentes botones del
gamepad.
Tabla 8. Funcionalidad de los botones del Gamepad
Numero del Botn
Nombre del botn Funcin
0 Start Parar la grabacin de movimientos.
1 Pulsacin Joystick 1 Posicin inicial de los ejes q1 y q2.
2 Pulsacin Joystick 2 Posicin inicial de los ejes q3 y q4.
3 Select Seleccin de la memoria de grabacin.
4 Cruceta arriba Aumento del ngulo q4.
5 Cruceta derecha Aumento del ngulo q5.
6 Cruceta abajo Decremento del ngulo q4.
7 Cruceta izquierda Decremento del ngulo q6.
8 L2 Reproduccin de la grabacin 1
9 R2 Reproduccin de la grabacin 2
10 L1 Grabacin de movimientos en memoria 1
11 R1 Grabacin de movimientos en memoria 2
12 Tringulo Mientras est pulsado abre la pinza del extremo.
Adems de los botones, utilizaremos los dos joysticks frontales del gamepad para el
manejo de los ejes principales (q1, q2, q3 y q4). A continuacin mostramos una tabla con la
asignacin de los ejes.
Tabla 9. Funcionalidad de los josysticks del gamepad
Joystick Eje Funcin
Izquierdo EJE 0 Aumenta o disminuye el ngulo q1
EJE 1 Aumenta o disminuye el ngulo q2
Derecho EJE 2 Aumenta o disminuye el ngulo q3
EJE 3 Aumenta o disminuye el ngulo q4
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 41
4.2. SIMULACIN
Se ha diseado e implementado un simulador en 3D en OpenGL y C++. ste posibilita la
visualizacin de la posicin y orientacin del brazo robtico a travs de la pantalla de un
ordenador. As, el usuario puede operar el robot visualizndolo en el simulador sin necesidad
de estar viendo el robot real.
El simulador consta de tres partes:
La representacin grfica en tres dimensiones del posicionamiento y orientacin del
robot.
Los datos correspondientes a los ngulos del robot. Estos son representados en la
parte superior derecha del simulador.
Los datos de la posicin del extremo del robot (x, y, z). Para obtener dicha posicin el
simulador resuelve el problema cinemtico directo de la forma comentada
anteriormente (ver apartado 3.3. Cinemtica). Los datos son representados en la
parte derecha del simulador a continuacin de los valores de los ejes.
En la ilustracin siguiente podemos ver las tres partes mencionadas. La representacin del
robot se encuentra en el centro y los datos se disponen en la parte derecha de la pantalla.
Ilustracin 35. Captura de pantalla del simulador.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 42
4.3. IMPLEMENTACIN DEL PROGRAMA
Para la implementacin del software del simulador se ha utilizado el lenguaje C++ y las
libreras de OpenGL. El entorno de desarrollo utilizado ha sido el QTCreator. Es un programa
gratuito distribuido por la empresa Nokia. A continuacin mostramos una captura de pantalla
en la que se puede apreciar el entorno grfico que utiliza dicho programa.
Ilustracin 36. Entorno de desarrollo QTCreator.
Para definir el proceso de implementacin del programa describiremos brevemente las
caractersticas del lenguaje C++ y de la libreras de OpenGL. Adems, mostraremos las clases
implementadas y los procesos que realiza el programa.
LENGUAJE DE PROGRAMACIN C++
Para la implementacin del simulador se ha utilizado el lenguaje C++. Es una
ampliacin del Lenguaje C con la posibilidad de manipular objetos. Con ste lenguaje se ha
creado un programa orientado a objetos. Esto ha permitido obtener un alto nivel de
encapsulamiento gracias a las diferentes clases utilizadas.
OPENGL (GLU, GLUT Y GLUI)
Para el entorno grfico en tres dimensiones, se han utilizado las libreras de OpenGL
(Open Graphics Library). Se trata una especificacin estndar que define una interfaz
programacin de aplicaciones (API) multilenguaje y multiplataforma para escribir aplicaciones
que produzcan grficos 2D y 3D. La interfaz consiste en ms de 250 funciones diferentes que
pueden usarse para dibujar escenas tridimensionales complejas a partir de primitivas
geomtricas simples, tales como puntos, lneas y tringulos.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 43
Entre las variadas funciones de OpenGL cabe destacar las que se han utilizado para dotar
de movimiento a la simulacin el robot. Se trata de las dos instrucciones de transformacin
bsicas:
glRotatefv (a,x,y,z): Realiza una rotacin determinada por el valor de a alrededor del
vector x, y, z.
glTranslatefv (x,y,z): realiza una traslacin determinada por los valores x, y, z.
Para la programacin se han utilizado varias bibliotecas internas y externas que
aaden caractersticas no disponibles en el propio OpenGL. Algunas de ellas son:
GL (Graphics Library): En ella se encuentran las funciones bsicas de OpenGL. Sus
funciones empiezan por el prefijo gl.
GLU (Graphics Library Utility): Ofrece funciones de dibujo de alto nivel basadas en
primitivas de OpenGL. Las funciones de GLU se reconocen fcilmente pues todas
empiezan con el prefijo glu.
GLUT (Graphics Library Utility Toolkit): Es la encargada de proveer un interface comn
de programacin para las ventanas, el uso del ratn, los eventos de teclado, etc.
Gracias a ella cuando se desarrolla una aplicacin OpenGL no hay que tener en cuenta
detalles sobre el sistema utilizado.
GLUI (Graphics Library User Interface): Interfaz de usuario basada en GLUT;
proporciona elementos de control tales como botones, cajas de seleccin y spinners.
Es independiente del sistema operativo, sustentndose en GLUT para manejar los
elementos dependientes del sistema.
Ilustracin 37. Ejemplo de una escena desarrollada con GLU.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 44
CLASES
Las clases que se han implementado se irn describiendo a continuacin segn su
funcionalidad. Se muestran adems los diagramas de clases en Lenguaje Unificado de
Modelado (UML) y las tablas con los nombres de cada clase acompaadas de una breve
descripcin.
Para un mejor anlisis, hemos definido las funcionalidades de las clases. As se
establecen 3 grupos distintos segn la funcionalidad:
1. Dibujado
2. Clculo y visualizacin de parmetros
3. Comunicacin entre el Gamepad y el microcontrolador
1. CLASES ENCARGADAS DEL DIBUJADO
Las clases que se centran fundamentalmente en el dibujado son:
Tabla 10. Descripcin de las clases cuya funcin es el dibujado.
Nombre de la clase Descripcin
ObjectGL Clase abstracta correspondiente a todos los objetos dibujables en OpenGL. Es la clase padre de otros objetos ms especficos.
Cuboid Clase que, dados los parmetros correspondientes, dibuja un tetraedro.
SolidCylinder Clase que, dados los parmetros correspondientes, dibuja un Cilindro.
Base Clase que, a parir de los parmetros correspondientes, dibuja la base cilndrica del brazo robtico. Utiliza objetos de las clases Cuboid y SolidCylinder.
FirstLink Clase que, a parir de los parmetros correspondientes, dibuja el primer eslabn del brazo robtico. Utiliza objetos de las clases Cuboid y SolidCylinder.
SecondLink Clase que, a parir de los parmetros correspondientes, dibuja el segundo eslabn del brazo robtico. Utiliza objetos de las clases Cuboid y SolidCylinder.
ThirdLink Clase que, a parir de los parmetros correspondientes, dibuja el tercer eslabn del brazo robtico. Utiliza objetos de las clases Cuboid y SolidCylinder.
FourthLink Clase que, a parir de los parmetros correspondientes, dibuja el tercer eslabn del brazo robtico. Utiliza objetos de las clases Cuboid y SolidCylinder.
Gripper Clase que, a parir de los parmetros correspondientes, dibuja la pinza situada en el extremo del brazo robtico. Utiliza objetos de las clases Cuboid y SolidCylinder.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 45
En el diagrama UML siguiente podemos observar que todas las clases de dibujado
heredan de la clase ObjectGL. As mismo, existe tambin una relacin de composicin entre
algunas clases. Esto es debido a que las ms complejas, como FirstLink, SecondLink, ThirdLink,
FourthLink o Gripper, estn formadas por objetos de las ms bsicas que son Cuboid y
SolidCylinder.
Ilustracin 38. Diagrama UML de las relaciones entre las clases encargadas del dibujado.
Adems de representar las relaciones que guardan las clases encargadas del dibujado,
hemos realizado el diagrama UML detallado de las ms relevantes. As podemos observar en
los diagramas siguientes los atributos y funciones que poseen las clases ObjectGL, Cuboid ,
SolidCylinder y FirstLink.
En primer lugar, mostramos el diagrama correspondiente a la clase ObjectGL. Cabe
destacar que sta es la clase padre de los objetos dibujables. As posee los atributos que luego
heredarn el resto de clases hijas como la posicin (x, y, z), el nombre (name), y las
dimensiones (x_size, y_size, z_size).
Ilustracin 39. Diagrama UML de la clase ObjectGL.
Un ejemplo de una clase hija de ObjectGL es Cuboid. Esta clase posee un constructor
en el que hay que indicar la posicin (x, y, z), las dimensiones del ortoedro (width, height,
depth) y la posible traslacin del CIR si es necesaria.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 46
Ilustracin 40. Diagrama UML de la clase Cuboid.
Para el dibujado de un cilindro slido hemos implementado la clase SolidCylinder. sta
dibuja dos discos a modo de caras superior e inferior y un cilindro hueco para la cara lateral.
Ilustracin 41. Diagrama UML de la clase SolidCylinder.
FirstLink se dedica al dibujado del primer eslabn del robot. Podemos observar, en el
diagrama siguiente, los atributos que posee destinados a establecer las dimensiones: ancho
(width), alto (height) , profundidad (depth), radio y el hueco entre piezas (gap).
Ilustracin 42. Diagrama UML de la clase FirstLink.
Se han omitido los diagramas correspondientes a las clases Base, SecondLink,
ThirdLink, FourthLink y Gripper por ser anlogas a FirstLink. Todas ellas se dedican al
dibujado de los diferentes eslabones del robot.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 47
2. CLASES ENCARGADAS DEL CLCULO Y LA VISUALIZACIN DE PARMETROS
Las clases que se centran en el clculo y la visualizacin de parmetros del robot son:
Tabla 11. Definicin de las clases cuya funcin es el clculo y la visualizacin de parmetros.
Nombre de la clase Descripcin
Angle Clase que muestra por pantalla el nombre y el valor del eje del robot.
Position Clase que calcula y muestra por pantalla la posicin (x,y,z) del extremo del robot.
Matrix Clase que genera matrices de las dimensiones previamente indicadas. Posee funciones para introducir y mostrar los valores de la matriz. Cuenta con sobrecarga de operadores que realizan las operaciones suma y multiplicacin. Tambin se ha implementado una funcin que realiza la inversa de matrices de transformacin homogneas.
MatrixDH Clase que hereda de la clase Matrix. Genera una matriz, segn el algoritmo de Denavit-Hartenberg, que transforma de un sistema a otro.
Hay que mencionar que las clases Angle y Position son hijas de la clase OpenGL ya que
sus valores son representados de forma grfica en la pantalla. Mostramos a continuacin los
diagramas UML de las clases mencionadas:
Ilustracin 43. Diagrama UML de la clase Angle.
Ilustracin 44. Diagrama UML de la clase Position.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 48
Como se describe en la tabla, la clase MatrixDH es hija de Matrix. As, adems de
heredar sus atributos y funciones posee su constructor propio. ste recibe los parmetros de
Denavit-Hartenberg (, d, a, ) y construye una matriz de la siguiente forma:
De esta manera, el clculo de la cinemtica directa, se realiza a travs de los objetos de
la clase MatrixDH y facilita considerablemente la resolucin del problema. A continuacin
mostramos los diagramas UML detallados de las clases Matrix y MatrixDH:
Ilustracin 45. Diagrama UML de la relacin entre las clases Matrix y MatrixDH.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 49
3. CLASES ENCARGADAS DE LA COMUNICACIN ENTRE EL GAMEPAD Y EL ROBOT
Es necesario establecer una comunicacin entre el gamepad, el ordenador y el
microcontrolador que rige los movimientos del robot. As, las clases que se centran en la
comunicacin son: Joystick, GamePad2Arduino y ArduSerialStream.
Describiremos las tres clases involucradas en la comunicacin a travs de la siguiente
tabla:
Tabla 12. Descripcin de las clases dedicadas a la comunicacin.
Nombre de la clase Descripcin
GamePad2Arduino Clase formada por objetos de las clases Joystick y ArduSerialStream. Comunica el gamepad con el simulador y con el microcontrolador.
Joystick Clase que posee las funciones de comunicacin con el Gamepad.
ArduSerialStream Clase que posee las funciones de comunicacin con el microcontrolador Arduino.
La relacin entre estas tres clases es de agregacin como se muestra en el siguiente
diagrama:
Ilustracin 46. Relacin entre las clases Joystick, ArduSerialStream y GamePad2Arduino
Seguidamente, exponemos los diagramas UML detallados de las clases involucradas
en la comunicacin.
Ilustracin 47. Diagrama UML de la clase GamePad2Arduino.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 50
Ilustracin 48. Diagrama UML de la clase Joystick.
Ilustracin 49. Diagrama ULM de la clase ArduSerialStream
Por un lado, la clase GamePad2Arduino est compuesta por objetos de las clases Joystick y
ArduSerialStream. As, la funcin GamePad2Arduino realiza diferentes funciones que
comunican el Gamepad con el microcontrolador. Entre esas funciones estn:
Definir el puerto de conexin del Gamepad.
Definir el puerto de conexin del Microcontrolador.
Realiza una calibracin previa de los joystick delanteros del mando.
Grabar los movimientos dados por el usuario en el modo grabacin.
Reproducir los movimientos guardados en el modo reproduccin.
Por otro lado, la clase Joystick establece funciones para la obtencin de los valores de los ejes
(getAxis(i)) y de los botones (getButton(i)) del gamepad. En definitiva, es la encargada de
comunicarse con el gamepad.
La clase ArduSerialStream permite una comunicacin sencilla con el microcontrolador
a travs del puerto serie. Establece sobrecarga de operadores para realizar una escritura fcil
en el puerto serie.
Finalmente cabe sealar cmo se realiza el proceso de calibracin de los joysticks. La
calibracin establece los valores de parada, los mximos y los mnimos de los ejes de los
joystick. Dicho proceso de calibracin consta de dos partes:
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 51
Valores iniciales: en esta primera parte el usuario no debe mover los controles,
as se establece los valores iniciales.
Valores mximos y mnimos: en esta segunda parte el usuario debe mover los
joysticks en los dos ejes para que el programa obtenga los valores mximos y
mnimos.
La calibracin del gamepad se realiza al iniciar el programa. Se muestra un dilogo por
pantalla para indicar al usuario qu debe hacer. A continuacin se muestra una captura de
pantalla del proceso de calibracin:
Ilustracin 50. Captura de pantalla del proceso de calibracin del gamepad
PROCESOS
En este apartado describiremos los diferentes procesos seguidos por el programa
implementado. Podemos dividir estos procesos en diferentes partes:
Flujo principal del programa.
Bucle principal (funcin glutMainLoop)
Funcin OnDraw
En la ilustracin 51 mostramos el diagrama de flujo correspondiente al programa
principal. Como se puede observar en l, el programa comienza inicializando el Gamepad, las
libreras de OpenGL, la ventana donde se visualiza el robot, establece las cmaras y las luces de
la escena. Despus crea los objetos que forman el entorno grfico y los guarda en un vector.
ste vector, llamado World, es importante ya que guardar todos los objetos dibujables del
simulador.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 52
Ilustracin 51. Diagrama de flujo principal del programa.
Una vez ejecutados los pasos anteriores entramos en el bucle principal del programa.
Este se realiza gracias a la funcin glutMainLoop que incorpora la librera GLUT. Se saldr del
bucle cuando el usuario cierre la ventana principal del simulador o detenga el proceso de
ejecucin.
Durante el bucle principal se realiza la comprobacin del teclado, la lectura de los
botones del Gamepad, el clculo de la posicin y el dibujado de la representacin grfica en 3D
del brazo robtico. Adems muestra los parmetros del robot por pantalla. Se puede observar
el proceso seguido por el bucle en el diagrama de flujo siguiente.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 53
Ilustracin 52. Diagrama de flujo del bucle principal (glutMainLoop)
Del diagrama anterior cabe destacar que las funciones glutDisplayFunc,
glutKeyboardFunc y atexit son callbacks o retrollamadas. De esta forma, dichas funciones sern
ejecutadas cuando se produzca el evento correspondiente.
Finalmente, dentro de las funciones realizadas por el programa nos encontramos con
la funcin OnDraw. Como hemos podido ver en la ilustracin 52, sta funcin est dentro de
un callback (glutDisplayFunc). As se ejecutar cuando se produzca un evento determinado. En
este caso el evento es cualquier mensaje enviado por el usuario a travs del teclado o el
gamepad.
La funcin OnDraw se centraba inicialmente en el dibujado de los elementos del
simulador. No obstante, segn se iba desarrollando el programa, se han ido incorporando ms
tareas a esta funcin. Dichas tareas son las siguientes:
o Recepcin de datos del Gamepad
o Grabacin de movimientos o posicin
o Reproduccin de movimientos o posicin
o Envo de datos al robot
El proceso que sigue esta funcin est reflejado a travs de su diagrama de flujo que se
expone a continuacin. Cabe destacar que en l aparecen los tres modos de funcionamiento
del simulador, es decir, la teleoperacin, la grabacin y el posicionamiento.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 54
Ilustracin 53. Diagrama de flujo de la funcin OnDraw
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 55
4.4. DISEO DEL SIMULADOR
Para dibujar las piezas del robot se ha utilizado las libreras de OpenGL (ver apartado
4.2. OpenGL). Como se ha descrito anteriormente, se han creado diferentes clases para, entre
otras funciones, facilitar el proceso de dibujado del simulador.
A pesar de haber desarrollado la descripcin de las clases encargadas del dibujado
anteriormente (ver apartado 4.3. Implementacin del programa seccin clases), las
retomaremos desde el punto de vista del diseo del simulador.
En primer lugar, se han implementado la clase Cuboid que se corresponde con la
figura geomtrica de un ortoedro. El constructor de la clase establece los atributos como el
ancho, el largo y el alto as como la posicin (x,y,z) donde se dibuja el objeto. Adems la clase
cuenta con la funcin DrawGL que se encarga de dibujar el ortoedro con los parmetros
dados.
Ilustracin 54. Representacin de un objeto de la clase Cuboid
Las traslaciones y rotaciones en OpenGL se realizan a partir del sistema de referencia
desde el que se dibuja el objeto. As, este sistema se convierte en el centro instantneo de
rotacin (CIR). Segn la implementacin realizada, para establecer el CIR que nosotros
deseemos se han tenido que aadir unos parmetros de traslacin de este punto (tCIRx, tCIRy,
tCIRz).
En segundo lugar, se ha implementado la clase SolidCylinder. sta se corresponde
con un cilindro incluyendo la cara superior e inferior. Para construir un objeto de esta clase
slo es necesario definir su posicin (x, y, z), el radio y la altura del cilindro.
Al igual que con la clase Cuboid, la clase SolidCylinder tambin cuenta con la
funcin DrawGL que se encarga de dibujar el cilindro con los parmetros dados. La librera
de OpenGL posee las funciones que dibujan cilindros huecos y discos. As, para la
implementacin de el cilindro completo hemos utilizado un cilindro hueco y, situndolos
correctamente, dos discos que hacen de cara inferior y superior.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 56
Ilustracin 55. Representacin de un objeto de la clase SolidCylinder
A partir de las dos clases bsicas anteriores, Cuboid y SolidCylinder, se han
implementado las clases: Base, FisrtLink, SecondLink, ThirdLink y FourthLink. stas clases se
han implementadas con la finalidad de dibujar los diferentes eslabones del robot. De sta
forma conseguimos mayor simplicidad y encapsulamiento de cdigo.
A continuacin mostramos la implementacin paso a paso de los diferentes objetos
que conforman la representacin 3D del robot. En la ilustracin siguiente podemos ver la
secuencia de dibujado de la base, los soportes laterales y el primer eslabn.
Ilustracin 56. Secuencia de dibujado de la Base, los soportes y el primer eslabn
Seguidamente se muestra la continuacin de la secuenciad de dibujado aadiendo el
segundo eslabn y el tercero y cuarto que forma la mueca del robot.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 57
Ilustracin 57. Secuencia de dibujado de los eslabones segundo, tercero y cuarto.
Para el tercer y cuarto eslabn, pertenecientes a la mueca, se ha realizado una
simplificacin para facilitar el dibujado. Para ello no se ha respetado la forma original y se ha
optado por una aproximacin basada en ortoedros. No obstante, se ha mantenido los ejes de
movimiento y el funcionamiento de stos.
Por ltimo, tenemos la clase Gripper que se encarga de dibujar la pinza que lleva
incorporada el brazo robtico en su extremo. Esta clase tambin ha sido simplificada con
respecto a la pinza real. Se ha eliminado el accionamiento de la pinza y se ha representado
nicamente los eslabones que participan en la retencin de objetos. No obstante se ha
respetado el principio de funcionamiento y los movimientos.
A continuacin podemos ver una imagen de la representacin en tres dimensiones del
brazo robtico. En ella podemos diferenciar la base, los eslabones y la pinza abierta en el
extremo del robot.
Ilustracin 58. Representacin del robot completo con la pinza abierta en su extremo.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 58
4.5. ENVO Y GRABACIN DE DATOS
Se ha establecido un protocolo de envo basado en datos separados por puntos. Los
datos estn compuestos por una letra y un nmero. La letra indica a qu servomotor o eje del
robot nos dirigimos. El valor numrico que la sucede indica el ngulo en grados que debe
adoptar el eje. As, un ejemplo de lnea de mensaje podras ser el siguiente:
A100.B90.C120.D10.E0.F90.G90.H180
Del ejemplo se obtendra que el primer eje, representado por la letra A, tendra que
adoptar la posicin de 100; el segundo eje 90, el tercero 120 y as sucesivamente hasta
completar los 8 datos que se envan.
Este protocolo de mensajes se ha utilizado tambin para realizar el guardado de datos
en el modo de grabacin del simulador. As cuando el usuario activa dicho modo, los datos
generados por los diferentes ejes son guardados en un fichero. Para la reproduccin de la
grabacin simplemente se accede al fichero y se van leyendo los datos. As se reproducen los
movimientos en el simulador y, simultneamente, son enviados al robot.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 59
4.6. FIRMWARE MICROCONTROLADOR
El microcontrolador es el Arduino UNO. Se programa en lenguaje C mediante un
entorno de desarrollo llamado Arduino IDE (Integrated Devolopment Environment) que
suministra de forma gratuita el propio fabricante. El firmware tiene por objetivo traducir los
datos que recibe por el puerto serie y transmitir las correspondientes rdenes a los
servomotores.
Ilustracin 59. Entorno de desarrollo Arduino IDE
Para la programacin se ha utilizado la librera servo.h. Esta proporciona funciones
sencillas para inicializar los servomotores, asignarles el pin correspondiente y enviar la posicin
que deseemos adopte.
Gracias al compilador, una vez realizado el programa, lo enviamos al microcontrolador
y ste lo almacena en memoria. De sta forma, interpretar los datos que reciba por el puerto
serie y le comunicar las instrucciones precisas al robot.
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 60
5. PUESTA EN FUNCIONAMIENTO
En este apartado describiremos los pasos necesarios para la puesta en funcionamiento
del robot y su programa de control y simulacin. Diferenciaremos entre dos partes, el
hardware y el software.
HARDWARE
En cuanto al hardware nos encontramos con las piezas de plstico impresas, los
servomotores, el microcontrolador y el cableado. Los pasos a seguir con estos materiales son:
1) Adecuacin de las piezas impresas: en muchas ocasiones el acabado de las piezas no es
siempre el ptimo, por ese motivo es necesario revisar y en su caso adecuar las piezas
impresas. Se tendrn que lijar las superficies irregulares y perforar los agujeros que no
hayan sido definidos correctamente en la impresin.
2) Realizacin de pruebas previas: es necesario comprobar previamente el correcto
funcionamiento de los servomotores.
3) Montaje de las piezas del robot y los servomotores: se montarn las piezas del robot
unindolas mediante tornillos y, si es necesario con pegamento. Los servomotores
debern estar bien fijados a la estructura del robot.
4) Conexionado de los cables de control: los cables de control comunicarn al
microcontrolador con los diferentes servos. En la siguiente ilustracin se muestra un
esquema de conexionado a este respecto.
Ilustracin 60. Esquema de conexionado de los cables de control de los servos
-
Modelo cinemtico y control de un brazo robtico imprimible
Universidad Carlos III de Madrid 61
5) Conexionado del microcontrolador al ordenador: Para el conexionado entre el
microcontrolador y el ordenador hemos planteado dos opciones:
a. Conexionado USB: utilizaremos un cable USB e interconectaremos el
microcontrolador y el ordenador.
Ilustracin 61. Esquema de conexionado USB
b. Conexionado ina