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https://hdl.handle.net/20.500.12104/85234Registro completo de metadatos
| Campo DC | Valor | Lengua/Idioma |
|---|---|---|
| dc.contributor.author | Magallanes Noguez, Diego Antonio | |
| dc.date.accessioned | 2021-10-05T21:39:21Z | - |
| dc.date.available | 2021-10-05T21:39:21Z | - |
| dc.date.issued | 2020-12-01 | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.12104/85234 | - |
| dc.identifier.uri | https://wdg.biblio.udg.mx | |
| dc.description.abstract | En este trabajo se establecen las bases para el diseño y construcción de un robot manipulador colaborativo y en específico en este desarrollo se presenta un prototipo de 6 grados de libertad, con extensión de 1 metro y capacidad de 1 kg de carga, utilizando un sistema de seguridad por detección de corriente en colisión. Se presenta una investigación de la información disponible en estudios, publicaciones y componentes comerciales del área robótica, con lo cual se establece la topología para realizar los cálculos y el diseño mecánico del robot. Posteriormente se realiza la integración del robot colaborativo utilizando los componentes diseñados, así como la plataforma de electrónica, la cual realiza un control básico de cada grado de libertad midiendo su posición (ángulo) y corriente eléctrica. Los resultados muestran que es posible diseñar y fabricar robots manipuladores colaborativos utilizando componentes comerciales a un costo asequible. Así mismo se confirma que el sistema de cálculo, diseño y método de fabricación son correctos para su funcionamiento, sin embargo, se describen detalles importantes detectados durante la fabricación y pruebas que ayudaran a perfeccionar el diseño. | |
| dc.description.tableofcontents | Agradecimientos ................................................................................................................ 5 Índice de figuras ................................................................................................................. 9 Índice de tablas ................................................................................................................ 12 Resumen .......................................................................................................................... 13 Abreviaturas y Acrónimos ................................................................................................ 14 Capítulo 1. Introducción ............................................................................................ 15 1.1 Antecedentes .......................................................................................................... 15 1.2 Objetivos ................................................................................................................. 20 1.3 Justificación ............................................................................................................ 20 1.4 Requerimientos del robot ...................................................................................... 21 1.5 Organización de la tesis .......................................................................................... 21 Capítulo 2. Robots Colaborativos .............................................................................. 22 2.1 Aplicaciones ............................................................................................................ 22 2.2 Principales beneficios de la Robótica Colaborativa ................................................ 23 2.3 Estado del arte y de la técnica ................................................................................ 24 Capítulo 3. Arquitectura y Topología de los Robots .................................................. 28 3.1 Arquitectura de los Robots ..................................................................................... 28 3.1.1 Poli-articulados ................................................................................................. 28 3.2 Elementos típicos de los Robots Manipuladores ............................................... 29 3.2.1 Articulaciones y eslabones ............................................................................... 29 3.2.2 Actuadores ....................................................................................................... 30 3.2.3 Unidad de control ............................................................................................ 32 3.2.4 Actuador final ................................................................................................... 34 3.2.5 Sensores ........................................................................................................... 35 3.3 Analogía con anatomía humana ............................................................................. 36 3.4 Topologías de los robots manipuladores ............................................................... 37 3.5 Tipos de operación robótica colaborativa .............................................................. 39 3.6 Normas y Estándares para los robots manipuladores colaborativos. .................... 41 Capítulo 4. Metodología y Selección de componentes ................................................... 42 4.1 Metodología ........................................................................................................... 42 4.2 Estimación inicial del par en actuadores y dimensiones de eslabones. ................ 43 4.3 Cálculo de par requerido para cada actuador (en base a estimación) .................. 44 4.4 Selección de actuadores y encoders. ..................................................................... 46 4.5 Confirmación de par requerido para cada actuador en base a datos reales ......... 47 4.6 Selección de rodamientos ...................................................................................... 47 4.7 Selección de Driver para actuadores ...................................................................... 48 4.8 Selección y adquisición de actuador final, sensores, fuentes y accesorios ........... 50 4.9 Selección del módulo de control ............................................................................ 52 Capítulo 5. Diseño electromecánico de un Robot Manipulador Colaborativo................ 54 5.1 Diseño del robot manipulador colaborativo .......................................................... 54 Desarrollo de componentes mecánicos principales. ................................................ 55 5.2 Diseño asistido por computadora (CAD). ............................................................... 56 5.3 Optimización de diseño .......................................................................................... 60 5.4 Tolerancias dimensionales ..................................................................................... 65 5.5 Ensamble del robot manipulador colaborativo ...................................................... 65 Explosionado de los elementos................................................................................. 66 5.6 Simulación y análisis estático de los componentes mecánicos ............................. 67 Análisis de Tensión máxima. ..................................................................................... 68 Análisis de Desplazamiento máximo. ........................................................................ 69 Análisis de Factor de Seguridad. ............................................................................... 70 5.7 Simulación y Análisis Armónico .............................................................................. 71 Capítulo 6. Sistema electrónico ....................................................................................... 73 6.1 Descripción de los módulos electrónicos ............................................................... 73 Módulo de Energía .................................................................................................... 74 Módulo de Control de actuadores ............................................................................ 74 Módulo Control lógico .............................................................................................. 75 Módulo de interconexión de señales ........................................................................ 76 6.2 Diagrama General ................................................................................................... 77 6.3 Diagrama de bloques de la etapa de control ......................................................... 79 6.4 Medición de posición ............................................................................................. 79 6.5 Medición de corriente de actuador........................................................................ 80 6.6 Interfaz de Usuario Gráfica (GUI) ........................................................................... 80 6.7 Comandos ............................................................................................................... 81 Capítulo 7. Fabricación y Ensamble ................................................................................. 83 8 7.1 Descripción de materiales mecánicos .................................................................... 83 7.2 Métodos de manufactura ....................................................................................... 84 Corte Laser ................................................................................................................ 84 Maquinado ................................................................................................................ 85 Doblez ........................................................................................................................ 86 Soldadura .................................................................................................................. 86 Machuelado .............................................................................................................. 87 Pintura electrostática ................................................................................................ 87 7.3 Ensamble mecánico ................................................................................................ 88 7.4 Cableado ................................................................................................................. 90 Capítulo 8. Pruebas y Resultados..................................................................................... 91 Capítulo 9. Conclusiones .................................................................................................. 97 Sugerencias de mejoras al Cobot ................................................................................. 99 Referencias .................................................................................................................... 100 Anexos ............................................................................................................................ 103 A- Cálculos ............................................................................................................ 104 B - Tolerancias ............................................................................................................ 106 C - Comparativa de módulos FPGA analizados ........................................................... 107 D - Especificaciones técnicas ...................................................................................... 109 E - Rango de trabajo ................................................................................................... 110 F - Hojas de datos de componentes ........................................................................... 111 G - Costo del proyecto ................................................................................................ 132 H - Lista de materiales ................................................................................................ 132 I - Planos y documentación de componentes mecánicos. ......................................... 134 J - Detalle de masa de componentes mecánicos ....................................................... 149 K - Problemas durante el desarrollo ........................................................................... 150 L - Código de Interfaz de Usuario Grafica (GUI) ......................................................... 151 M - Código de Control Cobot (FPGA) .......................................................................... 169 9 Índice de figuras Figura 1 Comparativo de Mexico con principales potencias. [3] .................................... 17 Figura 2. Principales fabricantes/nacionalidad de Robots Colaborativos ....................... 19 Figura 3. Gama de aplicaciones comunes de Cobos, por Universal Robots (UR) ............ 23 Figura 4. Modelo de simulación de impacto [6] .............................................................. 24 Figura 5. Taxonomía de espacios de trabajo y tareas humano-robot, ScienceDirect [9] 25 Figura 6. Robot YuMi® de ABB ......................................................................................... 26 Figura 7. Robot iiwa de Kuka ........................................................................................... 27 Figura 8. Referencia visual de algunos robots colaborativos comerciales. ..................... 27 Figura 9. Ejemplos de Robots Poli-articulados (RV, RH-AH SCARA, y RP-AH SCARA) ...... 29 Figura 10. Elementos estructurales de un Robot Manipulador Colaborativo ................. 29 Figura 11. Articulación lineal o prismática ....................................................................... 30 Figura 12. Articulaciones rotacionales o giratorias ......................................................... 30 Figura 13. Direct-drive-rotary (DDR) ................................................................................ 31 Figura 14. Servomotores miniatura ................................................................................. 31 Figura 15. Motor plano .................................................................................................... 31 Figura 16. Actuadores sin marco ..................................................................................... 31 Figura 17. Unidades de control de Kuka KR C4 ................................................................ 32 Figura 18. Diagrama de lazo abierto ................................................................................ 33 Figura 19. Diagrama de lazo cerrado ............................................................................... 33 Figura 20. Punto terminal de un manipulador [22]. ........................................................ 34 Figura 21. Pinza RG6, Pinza vacío de OnRobot ................................................................ 34 Figura 22. Pulidora Orbital de Dynabrade Robotic, Antorcha soldadura de Aristo RT ... 34 Figura 23. Sensores para robots. ..................................................................................... 35 Figura 24. Sensores de par/fuerza ................................................................................... 35 Figura 25. Ubicación sensor Par/Fuerza, Sensor FT300 de Robotiq ................................ 36 Figura 26. Componentes sensor Par/ Fuerza ................................................................... 36 Figura 27. Analogía Robot manipulador y brazo humano ............................................... 36 Figura 28. Distintos grados de libertad de un robot manipulador .................................. 37 Figura 29. Ejemplo de uso para parada monitorizada de seguridad ............................... 39 Figura 30. Ejemplo de guía manual.................................................................................. 39 Figura 31. Ejemplo de Control de velocidad y separación............................................... 40 Figura 32. Ejemplo de limitación de fuerza y potencia ................................................... 40 Figura 33. Normas aplicables [29] ................................................................................... 41 Figura 34. Estructura cinemática ..................................................................................... 43 Figura 35. Bosquejo 3D inicial de la estructura con topología esférica ........................... 43 Figura 36. Referencia de actuadores robot vs humano .................................................. 45 Figura 37. Integración de actuador sin marco (frameless motor) ................................... 46 Figura 38. Encoder magnético ......................................................................................... 46 Figura 39. Actuadores adquiridos .................................................................................... 47 Figura 40. Diferencia entre carga axial y radial ............................................................... 47 Figura 41. Rodamiento de rodillos cruzados ................................................................... 48 10 Figura 42. Rodamiento de rodillos cruzados, modelo RU42 de NTL. .............................. 48 Figura 43. 10Amp 7V-35V SmartDrive DC Motor Driver, modelo MDDS10 .................... 49 Figura 44. Driver con ventilador integrado para disipación térmica ............................... 49 Figura 45. Actuador final, SMC modelo MHZ2-10D ........................................................ 50 Figura 46. Sensor inductivo.............................................................................................. 50 Figura 47. Sensor de corriente ......................................................................................... 51 Figura 48. Xilix Artix-7 ...................................................................................................... 53 Figura 49. Iteraciones del diseño mecánico .................................................................... 54 Figura 50. Desglose de componentes mecánicos principales. ........................................ 55 Figura 51. 3D de pieza “Base” .......................................................................................... 56 Figura 52. Sección transversal de “Soporte 1” ................................................................ 56 Figura 53. 3D de pieza “Soporte 1” .................................................................................. 57 Figura 54. 3D de pieza “Soporte 2” .................................................................................. 57 Figura 55. Optimización de “Soporte 2” .......................................................................... 57 Figura 56. 3D de pieza “Soporte 3” .................................................................................. 58 Figura 57. 3D de pieza “Soporte 4 ................................................................................... 58 Figura 58. 3D de pieza “Soporte 6” .................................................................................. 58 Figura 59. 3D de pieza ensamble ..................................................................................... 58 Figura 60. 3D de pieza “Soporte 5” .................................................................................. 58 Figura 61. 3D de pieza “Cople flecha” ............................................................................. 59 Figura 62. Sección transversal ensamble de cople flecha ............................................... 59 Figura 63. 3D de pieza “Cople carga” .............................................................................. 59 Figura 64. Gráfica de deformación .................................................................................. 60 Figura 65. Simulaciones para un diseño mecánico óptimo (A, B) ................................... 60 Figura 66. Simulaciones para un diseño mecánico óptimo (C, D) ................................... 61 Figura 67. Simulaciones para un diseño mecánico óptimo (E, F) .................................... 61 Figura 68. Simulaciones para un diseño mecánico óptimo (G, H) ................................... 62 Figura 69. Simulaciones para un diseño mecánico óptimo (I, J)...................................... 62 Figura 70. Simulaciones para un diseño mecánico óptimo (K,L) ..................................... 62 Figura 71. Simulaciones para un diseño mecánico óptimo (M,N) ................................... 63 Figura 72. Simulaciones para un diseño mecánico óptimo (O, P) ................................... 63 Figura 73. Resultados finales del análisis estático ........................................................... 64 Figura 74. Ensamble 3D ................................................................................................... 65 Figura 75. Explosionado CAD de Base.............................................................................. 66 Figura 76. Explosionado CAD de Hombro ........................................................................ 66 Figura 77. Explosionado CAD de Brazo ............................................................................ 66 Figura 78. Explosionado CAD de Codo ............................................................................. 66 Figura 79. Explosionado CAD de Antebrazo .................................................................... 66 Figura 80. Explosionado CAD de Muñeca ........................................................................ 66 Figura 81. Explosionado CAD de Mano ............................................................................ 66 Figura 82. Escala grafica de resultados ............................................................................ 67 Figura 83. Condición de operación extrema del robot .................................................... 71 Figura 84. Frecuencias armónicas resultantes ................................................................ 72 Figura 85. Magnitud y Fase de Frecuencias armónicas. .................................................. 72 11 Figura 86. Primer armónico del sistema .......................................................................... 72 Figura 87. Componentes del Sistema Electrónico sobre placa de Control...................... 73 Figura 88. Driver inteligente 10Amp 7V-35V de Cytron .................................................. 74 Figura 89. Diagrama a bloques de Artix-7 35T Arty ......................................................... 75 Figura 90. Capacidad y uso del FPGA, Xilix Artix-7 .......................................................... 75 Figura 91. Módulo de interconexión por Opto acopladores PC123. ............................... 76 Figura 92. Diagrama de interconexión de actuadores. ................................................... 77 Figura 93. Diagrama de Energía ....................................................................................... 78 Figura 94. Diagrama de Control de actuadores ............................................................... 78 Figura 95. Diagrama de conexión de FPGA ...................................................................... 78 Figura 96. Diagrama de bloques de etapas de control dentro del FPGA ........................ 79 Figura 97. Interfaz gráfica de usuario (GUI), en Visual Studio. ........................................ 81 Figura 98. Campos de comando de control ..................................................................... 81 Figura 99. Sistema electrónico de control ....................................................................... 82 Figura 100. Piezas mecánicas principales ........................................................................ 83 Figura 101. Ejemplo de corte de contorno de piezas Soporte 3 ..................................... 84 Figura 102. Barrenos y avellanados en Soporte 1 ........................................................... 85 Figura 103. Maquinado en torno de Cople carga (izquierda) y Cople flecha (derecha).. 85 Figura 104. Ejemplo de dobleces en Soporte 3 ............................................................... 86 Figura 105. Ensamble por soldadura de Soportes 4 y 6 .................................................. 86 Figura 106. Proceso de machuelado con fresadora o taladro de banco ......................... 87 Figura 107. Pieza base con pintura electrostática ........................................................... 87 Figura 108. Ensamble mecánico ...................................................................................... 88 Figura 109. Ensamble Codo ............................................................................................. 89 Figura 110. Ensamble Muñeca ......................................................................................... 89 Figura 111. Ensamble Hombro ........................................................................................ 89 Figura 112. Rodamiento entre eslabones ........................................................................ 89 Figura 113. Detalle de contacto Soporte 2- rodamiento ................................................. 89 Figura 114. Arnés de interconexión Placa de control-Cobot ........................................... 90 Figura 115. Arnés de potencia (izquierda), Arnés de control (derecha) ......................... 90 Figura 116.Deformaciones en agujeros de flechas y cuñeros. ........................................ 91 Figura 117. Área de contacto del eje 5, sin cople (izquierda) con cople (derecha) ........ 92 Figura 118. Piezas extras diseñadas y fabricadas ............................................................ 92 Figura 119. Coples ............................................................................................................ 92 Figura 120. Refuerzos de aluminio soldados en Soporte 2 ............................................. 92 Figura 121. Sensor de posición ........................................................................................ 94 Figura 122. Pruebas de carga ........................................................................................... 95 Figura 123. Prueba de repetibilidad utilizando un indicador. ......................................... 95 Figura 124. Imágenes de ensamble final ......................................................................... 96 Figura 125. Prueba de repetibilidad del Cobot (circulo azul, posición inicial) ................ 99 Figura 126. Rango de trabajo del Robot colaborativo ................................................... 110 12 Índice de tablas Tabla 1. Competitividad en Manufactura / Posicionamiento por país [3] ...................... 15 Tabla 2. Comparativa entre robot colaborativo e industrial [20] .................................... 26 Tabla 3. Principales fabricantes de robots colaborativos, Movicontrol [9] ..................... 27 Tabla 4. Clasificación de robots por su arquitectura [21] ................................................ 28 Tabla 5. Clasificación de actuadores en la Robótica por CLR [23] ................................... 30 Tabla 6. Tendencias en motores para robótica, por RIA [24] .......................................... 31 Tabla 7. Nueva tendencia en actuadores para robótica [25] .......................................... 31 Tabla 8. Elementos de la unidad de control .................................................................... 32 Tabla 9. Tipos de control .................................................................................................. 33 Tabla 10. Tipos de sistemas ............................................................................................. 33 Tabla 11. Clasificación de actuadores finales [22]. .......................................................... 34 Tabla 12. Sensores más comunes para robots industriales ............................................ 35 Tabla 13. Topologías de los robots manipuladores [22].................................................. 38 Tabla 14. Estimación inicial de actuadores y eslabones. ................................................. 44 Tabla 15. Consumo de cada actuador. ............................................................................ 49 Tabla 16. Consumo de cada actuador. ............................................................................ 51 Tabla 17. Características principales del módulo seleccionado, Artix 7 de Xilinx. .......... 53 Tabla 18. Lista de piezas mecánicas principales .............................................................. 55 Tabla 19. Resultados finales de la simulación estática .................................................... 64 Tabla 20. Análisis de tensión máxima sobre diferentes calibres de Aluminio ................ 68 Tabla 21. Análisis de desplazamiento máximo sobre diferentes calibres de Aluminio... 69 Tabla 22. Análisis de Factor de Seguridad sobre diferentes calibres de Aluminio .......... 70 Tabla 23. Rango de operación de actuadores ................................................................. 93 Tabla 24. Consumo corriente en Actuador 4 ................................................................... 94 | |
| dc.format | application/PDF | |
| dc.language.iso | spa | |
| dc.publisher | Biblioteca Digital wdg.biblio | |
| dc.publisher | Universidad de Guadalajara | |
| dc.rights.uri | https://www.riudg.udg.mx/info/politicas.jsp | |
| dc.subject | Robot Manipulador Colaborativo | |
| dc.title | Desarrollo de Hardware para Prototipo de Robot Manipulador Colaborativo | |
| dc.type | Tesis de Maestría | |
| dc.rights.holder | Universidad de Guadalajara | |
| dc.rights.holder | Magallanes Noguez, Diego Antonio | |
| dc.coverage | AMECA, JALISCO | |
| dc.type.conacyt | masterThesis | |
| dc.degree.name | MAESTRIA EN INGENIERIA MECATRONICA | |
| dc.degree.department | CUVALLES | |
| dc.degree.grantor | Universidad de Guadalajara | |
| dc.rights.access | openAccess | |
| dc.degree.creator | MAESTRO EN INGENIERO EN MECATRONICA | |
| dc.contributor.director | Vázquez Topete, Carlos Renato | |
| Aparece en las colecciones: | CUVALLES | |
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