Diseño de un Brazo Robótico de configuración angular y de 6 grados de libertad con alcance de un metro destinado a los procesos de soldadura por arco eléctrico con trayectorias lineales

Abstract

La presente investigación consistió en el diseño de un brazo robótico de configuración angular y de 6 grados de libertad con alcance de un metro destinado a los procesos de soldadura por arco eléctrico con trayectorias lineales.

Para el desarrollo de la investigación se analizó textos de robótica, los cuales permitieron obtener los principios y fundamentos para el diseño del robot. En principio se determinó las características de diseño del brazo robótico, como por ejemplo: configuración angular, 6 grados de libertad, alcance máximo de la soldadura, 4 partes principales, capacidad de carga de 5 kg, etc. el cual se encuentra detallado en la tabla N° 5. Luego se usó el algoritmo de Denavit y Hartenberg para el desarrollo de la cinemática directa, el cual consiste en determinar la posición (x, y, z) y orientación del extremo final (Herramienta) con respecto de la base del robot (origen del sistema de referencia) en función de sus coordenadas articulares (posición de los servomotores). También se realizó el análisis cinemático inverso del robot, haciendo uso del método de la inversa de la matriz de transformación homogénea y del método de desacoplo cinemático, este análisis permite calcular los valores que deben adoptar las variables articulares del robot (posición de los servomotores) para que su extremo se posicione y oriente según una determinada localización espacial. En ambos análisis se usó el software Matlab. Posteriormente se realizó el análisis de la trayectoria del brazo robótico, en el cual se diseñó el algoritmo que permite calcular la trayectoria lineal del extremo del robot, los datos de entrada son la velocidad, la posición inicial, final y orientación del extremo, el algoritmo va calculando cada cierto tiempo las coordenadas cartesianas y por ende las coordenadas articulares haciendo uso de la cinemática inversa. Se realizó el diseño mecánico, planos y análisis de esfuerzos en el software SolidWork. Para determinar los servomotores a emplearse se realizó el cálculo dinámico haciendo uso del planteamiento de equilibrio de fuerzas establecido en la segunda ley de Newton, o su equivalente para movimientos de rotación, la denominada ley de Euler, considerando el peso de los servomotores y de la estructura mecánica del robot. El algoritmo de control se diseñó en el software LabVIEW, el cual está conformado por el panel de control, las ecuaciones de cinemática directa, inversa y de trayectoria. Se utilizó el microcontrolador Arduino Uno, para el control de los servomotores y su programación se realizó en LabVIEW utilizándose la interfaz de LabVIEW para Arduino LIFA (LabVIEW Interface for Arduino). También se diseñó el plan de mantenimiento del brazo robótico. Por último se realizó un presupuesto.

Los resultados de la investigación fueron los siguientes: se diseñó un Brazo Robótico de configuración angular y de 6 grados de libertad con alcance de un metro destinado a los procesos de soldadura por arco eléctrico con trayectorias lineales. Está formado por 4 partes principales, la base, brazo, antebrazo y extremo final cuyas medidas son 100, 50, 50 y 15 cm respectivamente. Se calculó la matriz de transformación homogénea de cada eslabón ((_^0)A_1,(_^1)A_2,(_^2)A_3,(_^3)A_4,(_^4)A_5,(_^5)A_6,) y su producto T es una matriz 4x4 que representa la orientación y posición del extremo final. Las ecuaciones de la cinemática inversa se recopilan en la Tabla N° 8. Se realizó el diseño mecánico del brazo robótico el cual se encuentra en el Anexo 2, el análisis de esfuerzo deformación determino que los elementos no se deforman. Los elementos motrices son servomotores Mitsubishi, 3 unidades modelo HF-KE73(B)KW1-S100 de par de giro máximo de 7.3 N.m que gobiernan el movimiento de la muñeca y 3 unidades modelo HF-SP7024(B) de par de giro máximo de 100 N.m, que gobiernan los tres primeros grados de libertad. Para el control de los servomotores se utilizó el microcontrolador Arduino Uno y la programación se realizó en LabVIEW (Anexo 3). Se determinó el plan de mantenimiento y se realizó el presupuesto donde se determinó los costos de producción para la construcción del brazo robótico.