Análisis y diseño de robot multifuncional SCARA con enfoque pedagógico en robótica

Abstract

Este documento presenta el diseño de un robot Scara de 3 grados de libertad el cual se ha enfocado en el área de la educación para que, mediante un software, sea capaz de transmitir los conceptos básicos de la robótica. Para el desarrollo del prototipo se realizan análisis mecánicos, electrónicos e informáticos que sustentan el diseño realizado. En la sección mecánica se estudia cada elemento de la estructura de forma estática y dinámica para lograr argumentar, mediante teorías de falla, las dimensiones y materiales escogidos. Adicionalmente, en el análisis electrónico, se encuentra el diseño de los circuitos necesarios para el correcto funcionamiento del robot, dicho diseño cuenta con etapas de potencia que permiten controlar los motores paso a paso y reductores más usuales para la línea estudiantil, con el fin de facilitar la implementación del robot. Por otro lado, para el movimiento de este tipo de mecanismos se propone un algoritmo que lograr generar la planeación de trayectoria de cualquier robot fijo, teniendo en cuenta la presencia de obstáculos en el entorno operativo del mismo. Finalmente, se presenta el desarrollo de un programa pedagógico que permite a los estudiantes interactuar con las matrices de transformación homogénea y los robots Scara, Antropomórfico y Cartesiano. Además de esto el software es el encargado de crear la interfaz de comunicación entre el mecanismo y el usuario, por lo que mediante éste se logra ejecutar rutinas que le permiten realizar algún trabajo al robot. Los resultados indican que el software es una herramienta totalmente funcional con la cual se puede trabajar los conceptos más básicos de la robótica e implementarlos en físico con el Scara diseñado, o con los que ofrece el programa. Además de esto se evidencia que es posible crear rutinas que permiten al robot realizar la manipulación de objetos implementando el algoritmo de planeación de trayectoria.

This paper presents the design of Scara robot with three degrees of freedom, focused on educational purposes, aimed to transmit basic concepts of robotics through a software program. For developing the prototype, a series of mechanical, electronic and computing analyses were carried out for supporting the design proposed. In the mechanical section, each element of the structure was studied statically and dynamically to justify, through failure criteria, the choice of dimensions and materials. Additionally, a series of equations are presented to model the state of equilibrium of a shaft exposed to static and dynamic dry friction, in order to calculate the necessary force and torque to generate an imminent movement in the links. Furthermore, the design of the circuits required for the correct operation of the robot was included in the electronic analysis. The driver designed has power stages that allow to control the stepper motors, and gearmotors that are more common for students, to facilitate the robot implementation. On the other hand, for ensuring the movement of this type of mechanisms, the authors proposed an algorithm to plan the trajectory of any fixed robot, having in mind the obstacles in its operating environment. Finally, the authors present the development of a pedagogical program that facilitates students’ interaction with the homogeneous transformation matrices and the Scara, anthropomorphic and Cartesian robots. In addition, the software is in charge of creating the interface to communicate the mechanism and the user, to perform routines that allow the robot to carry out any task. The results indicate that the software is a completely functional tool, useful to work on the most basic concepts of robotics and to implement them physically through the designed Scara, or other robots offered by the program. Besides that, it was evinced that it is possible to create routines that allow the robot to manipulate objects, by implementing the trajectory planning algorithm.