UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONMA DE MXICO

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE CONTROL Y ROBTICA

INSTRUMENTACIN VIRTUAL

PROYECTO FINAL: BRAZO MCANICO CON LABVIEW Y EL MICROCONTROLADOR ARDUINO

Nombre: RAMIREZ CHAVARRA ROBERTO GIOVANNI

Prof.: ING. CSAR CASTRO RENDN

SEMESTRE 2012-1

Objetivo:

Realizar el control de un brazo mecnico con movimiento por servomotores mediante un

instrumento virtual con el software Labview de National Instruments mediante una interfaz con el

microncontrolador Arduino.

Este proyecto consta de la realizacin, el diseo, fabricacin e implementacin de un brazo

manipulador a pequea escala. El objetivo primordial de este proyecto es la realizacin de un

brazo mecnico para poder ser analizado, probado y estudiado en pequea escala para en un

futuro y con mejoras pueda ser implementado en la industria.

Introduccin

Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias,

piezas, herramientas, o dispositivos especiales, segn trayectorias variables, programadas para

realizar tareas diversas.

Esta definicin, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la Organizacin Internacional de

Estndares (ISO) que define al robot industrial como: 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.

Los manipuladores, conocidos tambin como brazos mecnicos son sistemas mecnicos

multifuncionales, con un sencillo sistema de control de los cuales existen 3 tipos:

a) Manual: cuando un operario controla directamente al manipulador

b) Secuencia fija: cuando se repite de forma invariable el proceso de trabajo preparado

previamente

c) Secuencia variable: se pueden modificar caractersticas del ciclo de trabajo Una particularidad

de estos robots es que mientras las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas son

ampliamente usados.

Robots de repeticin o aprendizaje

Estos manipuladores se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada

por un operador, haciendo uso de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En la fase de

enseanza el operador usa una pistola de programacin con diversos pulsadores, teclas, joysticks,

o bien utiliza un maniqu o desplaza directamente la mano del robot. Esta clase de robots son los

mas conocidos hoy en da en los ambientes industriales y su tipo de programacin que incorporan

se conoce como gestual.

Planteamiento del Problema:

En un inicio cuando surgi la idea del brazo mecnico para poder asimilarlo a un robot

manipulador, se contaba con la informacin sobre la DAQ 6063 de National Instruments para

poder utilizar sus contadores de frecuencia para obtener salidas PWM las cuales seran tiles para

la realizacin de proyecto, sin embargo investigando ms sobre la versatilidad de Labview pude

encontrar informacin sobre cmo integrar al microcontrolador Arduino con Labview y as poderlo

utilizar como una DAQ. La configuracin del microcontrolador se menciona en el siguiente punto.

LABVIEW + ARDUINO:

LA INTELIGENCIA DE ARDUINO RADICA EN SU LENGUAJE DE PROGRAMACIN

El NI LabVIEW Interface for Arduino Toolkit le ayuda a establecer interfaz fcilmente con el microcontrolador Arduino

usando LabVIEW.

Con este juego de herramientas y LabVIEW, usted puede controlar y adquirir datos desde el microcontrolador Arduino.

Una vez que la informacin est en LabVIEW, analcela usando los cientos de bibliotecas integradas de LabVIEW,

desarrolle algoritmos para controlar el hardware Arduino y presente sus conclusiones en un UI pulido.

Un boceto para el microcontrolador Arduino acta como un motor de E/S que se conecta con los VIs de LabVIEW a

travs de una conexin serial. Esto le ayuda a mover informacin rpidamente desde pines Arduino a LabVIEW sin

ajustar la comunicacin, la sincronizacin o incluso una sola lnea de cdigo C. Al usar Open, Read/Write, Close en

LabVIEW, usted puede tener acceso a las seales digitales, analgicas, moduladas por ancho de pulso, I2C y SPI del

microcontrolador Arduino. Para aprender cmo opera la funcionalidad para que pueda modificar o extenderla, busque

en los subVIs o abra el boceto Arduino.

Nota: El microcontrolador Arduino debe estar conectado a la PC con LabVIEW a travs de un enlace USB, serial,

Bluetooth o XBee. Este juego de herramientas no hace posible una operacin autnoma.

A partir de la versin 2009 de Labview, National Instruments ofrece la posibilidad de integrar al

microcontrolador Arduino a su ambiente de trabajo, lo cul nos pueda ayudar en muchos

aspectos, claro est sin llegar a las grandes capacidades de las DAQ propias de National

Instruments, pero cmo realizar esta integracin?. A continuacin se presenta una breve gua.

1) Descargar y/ o tener instalado el software Labview 2009 o posteriores.

2) Contar con el IDE y el microcontrolador Arduino ( www.arduino.cc)

3) Descargar de la pagina de National Instruments el ToolKit para Arduino

(http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/209835)

4) Instalar el Toolkit para Arduino en nuestra computadora.

5) Programar Arduino con el firmware desarrollado por National Instruments mediante el IDE

de Arduino, generalmente este Firmware se encuentra ubicado en la siguiente ruta:

C:\Program Files\National Instruments\LabVIEW 2011\vi.lib\LabVIEW Interface for

Arduino\Firmware

6) Posteriormente para que exista la conexin entre Labview y Arduino debemos de tener los

drivers NI-VISA en nuestra computadora, en caso de no tenerlos debemos descargarlos de

la siguiente direccin http://www.ni.com/visa/

7) Hecho esto debemos de verificar mediante el MAX de National Instruments en la seccin

Devices & Interfaces que tengamos al microcontrolador Arduino en algn puerto de

comunicaciones COM de la computadora, debiendo estar de la siguiente manera.

8) Ahora solo nos resta verificar que dentro de LabView tengas habilitados los VI de Arduino,

listos para ser programados y realizar nuestros instrumentos virtuales con la interfaz

Arduino.

** NOTA IMPORTANTE:

En algunas tarjetas de Arduino como en Arduino Duemilanove al ejecutar el vi nos manda un error

5003 que indica que no se localiza Arduino, esto se resuelve de la siguiente manera:

1) Configurar el mismo BAUDRATE en el Firmware de Arduino, en el administrador de

dispositivos de Windows y en Labview.

2) Cambiar la configuracin del vi Init de Arduino, como se muestra a continuacin

En el Case USB/Serial Debajo de la leyenda Wired, wait for Arduino to exit boot loader como

constante asignada al tiempo de espera, por default viene un valor de 1000, ste debe ser

sustituido por 2000 como en la figura anterior.

En Resumen LABVIEW + ARDUINO:

Fcil acceso para DIO Arduino, AI, PWM, I2C y SPI desde Labview

Boceto del motor de E/S para cargar en Arduino

Ejemplos para tareas bsicas y sensores

Inalmbricos con Bluetooth o XBee

Velocidades: USB enlazada (200 Hz) e inalmbrico (25 Hz)

El boceto abierto Arduino y los VIs del juego de herramientas le ayudan a personalizar la funcionalidad

Diseo del Brazo Mecnico:

Para el diseo del brazo mecnico tom como base el siguiente dibujo:

Cmo podemos observar, el brazo tendr 2 articulaciones, una en el hombro y otra en el codo, as

como la capacidad de girar 180 sobre su propio eje, esto nos indica que nuestro brazo tendr dos

grados de libertad, un grado por cada articulacin.

El material para la construccin debe ser ligero, por lo que decid utilizar hojas de PVC echas

especialmente para su utilizacin en robtica, ya que es fcilmente manipulable para ser cortado y

de costo accesible.

Dimensiones:

-Base 25 cm de dimetro

-Primer eslabn (vertical) 25 cm de largo por 8 de ancho

-Segundo eslabn (del hombro al codo) 12.5 de largo por 8 de ancho.

-Tercer eslabn (terminal) 10 cm de largo por 8 de ancho.

ELECTRNICA DEL BRAZO:

Como hemos mencionado el brazo contar con dos articulaciones, y una rotacin sobre su propio

eje. En un principio se decidi utilizar un servomotor para cada articulacin ( total 2 servomotores)

y para el giro del brazo un motor a pasos. En primera instancia tuve problemas para poder realizar

la secuencia para accionar la lgica del motor a pasos unipolar ( 6 hilos) ya que no puedo tener

una bloque de Arduino en Labview que me permita hacer algo parecido a un corrimiento de bits,

despus de das de pruebas logr el funcionamiento del motor a pasos con una secuencia de

medio paso. Pero surgi otro problema en el laboratorio no se contaba con una fuente de

corriente variable, indispensable para el funcionamiento ya que el motor al momento de tener

carga demanda ms corriente y sta no poda ser suministrada por el arreglo de transistores

Darlington del circuito integrado ULN2003 y por tanto necesitaba de aumentar la corriente en la

fuente, cosa que fue imposible de realizar al no tenerla en el laboratorio.

Entre comillas este problema era fcil de solucionar, poner otro servomotor en lugar del motor a

pasos, pero no contaba con los recursos para poder adquirirlo, y despus de unos das logre

comprarlo y as todo problema se solucion.

Finalmente el brazo tiene tres servomotores para su movimiento uno por cada articulacin (2) y

uno para el giro sobre su propio eje (1).

A continuacin se muestra una imagen del brazo y sus articulaciones.

Cmo funcionan los servomotores?

Un Servo es un dispositivo pequeo que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser

llevado a posiciones angulares especficas al enviar una seal codificada. Con tal de que una seal

codificada exista en la lnea de entrada, el servo mantendr la posicin angular del engranaje.

Cuando la seal codificada cambia, la posicin angular de los piones cambia. En la prctica, se

usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeos

ascensores y timones. Ellos tambin se usan en radio control, tteres, y por supuesto, en robots.

Los Servos son sumamente tiles en robtica. Un servo, por consiguiente, no consume mucha

energa. El servomotor tiene 3 cables de conexin externa. Uno es para alimentacin Vcc

(+5volts), conexin a tierra GND y el alambre de control.

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potencimetro (una resistencia variable)

esta es conectada al eje central del servo motor. En la figura se puede observar al lado derecho del

circuito. Este potencimetro permite a la circuitera de control, supervisar el ngulo actual del

servo motor. Si el eje est en el ngulo correcto, entonces el motor est apagado. Si el circuito

chequea que el ngulo no es el correcto, el motor girar en la direccin adecuada hasta llegar al

ngulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en

algunos llega a los 210 grados, pero vara segn el fabricante. Un servo normal se usa para

controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecnicamente

capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del

fabricante.

El cable de control se usa para comunicar el ngulo. El ngulo est determinado por la duracin de

un pulso que se aplica al alambre de control. A esto se le llama PCM Modulacin codificada de

Pulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulso

determinar los giros de motor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, har que el motor se torne a la

posicin de 90 grados (llamado la posicin neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces el

motor se acercar a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercar a los 180

grados.

Servomotores utilizados en el brazo:

1 Servo marca Vigor de 1.5Kg de Torque para la articulacin que contiene al eslabn terminal.

1 Servo marca Vigor de 3Kg de Torque para la articulacin que contiene al eslabn entre el

hombro y el codo.

1 Servo marca Vigor de 3Kg de Torque para el giro completo del brazo sobre su propio eje.

Conexin de los Servomotores a la tarjeta Arduino.

En la siguiente imagen se muestran las conexiones realizadas al microcontrolador Arduino para el

control de los servomotores, en sta imagen solo se muestran dos servomotores pero lo lgica de

conexin del tercero es idntica.

Para la alimentacin de los servos (5V) podemos utilizar la propia del microcontrolador, por lo

tanto el voltaje va al pin de 5V, la tierra el pin GND, y los cables de control de los servos a los pines

elegidos por el usuario, en mi caso utilice el 2, 3 y 4.

PANEL FRONTAL DE LABVIEW

Control de giro del brazo sobre su propio eje.

El primer control que el usuario debe de personalizar el que indicar los grados de giro del brazo

sobre su propio eje valores entre 0 y 180 grados y la velocidad de giro (valores entre 1 y 10) en

orden creciente stos valores son directamente proporcionales a la velocidad. Esto es 1 para lo

mas lento posible y 10 para lo ms rpido.

ste control permitir al brazo girar desde el origen a los grados y velocidad seleccionados por el

usuario y regresar al origen al llegar a los grados indicados.

Controles de las articulaciones.

Estos controles actan idnticamente para las articulaciones, el usuario ingresa el valor de los

grados que desee que gire en los controles numricos, mediante teclado o moviendo el KNOB

respectivo, as cada servomotor se mover de acuerdo a lo indicado por el usuario mediante stos

controles, entre 0 y 180 grados.

El panel frontal cuenta con un botn de paro para detener la ejecucin del programa.

DIAGRAMA DE BLOQUES

El primer paso para indicar a Labview que utilizaremos la interfaz con el microcontrolador Arduino

es el bloque Init, con el cul estaremos iniciando la comunicacin entre ambos, cabe mencionar

que debemos agregar una constante o control para indicar el puerto de comunicaciones utilizado

por Arduino, el cual se verifico previamente mediante MAX.

Bloque Init

El toolkit de Arduino para Labview nos da la posibilidad de trabajar directamente con

servomotores, mediante bloques que son sencillos de trabajar.

El siguiente bloque que se debe agregar para indicar el nmero de servos a utilizar, en mi caso son

tres, por lo que basta con agregar una constante para indicarlo.

Ahora debemos de incializar los servomotores, ponerles un nombre y decir en que pines de

Arduino estn conectados, para ello agregamos constantes en las terminales ServoNumber y

Pin respectivamente.

Todo esto lo hacemos fuera del ciclo while que nos permitir ejecutar de manera constante el

programa, como se muestra en la siguiente imagen.

Dentro del ciclo while el siguiente paso es agregar los bloques de escritura al servo y lectura al

servo, estos nos permitirn agregar los controles numricos para indicar los grados de giro al

servomotor y posteriormente para que el Arduino haga la lectura de dicho valor y se veo reflejado

directamente en el servo.

Escritura en el servo:

Lectura del servo:

En el caso del servo que permite el giro del brazo sobre su propio eje no fue tan directa la solucin

para poder realizar su movimiento de forma automtica, para ello fue necesario realizar la

multiplicacin del valor de control numrico de velocidad de giro por el nmero i que contiene

la iteraciones del ciclo while y dividir ste resultado entre el valor de los grados que el usuario

desee que el brazo gire. Con ste resultado final podemos indicar el bloque escribir en el servo,

la velocidad y posicin del servo.

Todo esto se muestra en la siguiente imagen y cabe mencionar que como si estuviramos

utilizando una DAQ de National Instruments el clster de trabajo debe ser unido entre los bloques

del programa as como el clster de error, que nos indicar el posible error en caso de encontrar

algn fallo en la ejecucin del programa.

Finalmente debemos indicar que el trabajo de Arduino ha terminado mediante el bloque Close

. El cul debe colocarse fuera el ciclo while y agregar el bloque de error simple para que

Labview sea capaz de indicarnos de manera explcita el estado del clster de error.

OPERACIN AUTOMTICA DEL BRAZO

En ste instrumento virtual vimos que solo uno de los servos opera de manera automtica, por lo

que es completamente posible que los tres servos lo hagan de manera simultanea, y as tener un

comportamiento automtico del brazo.

Para ello basta con extrapolar la informacin proporcionada anteriormente sobre la operacin

realizada para indicar al primer servo la velocidad y posicin de l, a los dems servos.

Teniendo un diagrama de bloques similar al siguiente:

CONCLUSIONES.

Al terminar el proyecto los objetivos se cumplieron plenamente, durante la realizacin se tuvieron

ciertos problemas como lo del motor a pasos, la configuracin del microcontrolador con Labview

al tener el error 5003, pero despus de investigar y a ensayo y error se pudieron solcuionar.

Decid llevar a cabo el control del brazo con el microcontrolador Arduino y Labview ya que me

pareci un excelente complemento para la clase de Instrumentacin Virtual de la cul obtuve

todos los conocimientos slidos de Labview para programar instrumentos virtuales, y no

quedarme solo con la DAQ utilizada en el laboratorio si no extender mis conocimientos a

situaciones de la vida profesional diaria como lo es en nuestro campo el uso de

microcontroladores. Adems fue una excelente opcin para poder trabajar desde mi hogar en el

proyecto al no tener la necesidad de la DAQ y solo poder trabajar en el laboratorio sujeto a ciertos

horarios.

La versatilidad de Arduino me permiti poder resolver los problemas de manera sencilla y eficaz,

adems de su tamao y costo.

Finalmente puedo concluir que es un proyecto muy completo ya que se lograron combinar

conocimientos de Instrumentacin Virtual, Automatizacin, Microcontroladores, Electrnica y

Robtica de manipuladores.

REFERENCIAS

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/209835

http://www.youtube.com/watch?v=k6pC1dq40W4

http://www.todorobot.com.ar/documentos/servomotor.pdf

http://www.superrobotica.com/motores.htm

http://www.electronicaestudio.com/

Robots Manipuladores Industriales, Iigo Madrigal Rafael, Ed. Alfaomega, Universidad Politnica

de Catalunya