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CAMPUS TLALPAN
“ ROBOTICA 1”
PROYECTO FINAL ”BRAZO ROBOTICO”
ARENAS VELAZQUEZ JUAN JERONIMO
GUERRO MEDINA JORGE
MORALES CARRERA DIEGO ESAU
VAZQUEZ SANDOVAL LIZZOULI IZCHEL
DOCENTE/ASESOR: DAVID LOZANO SALMERÓN
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Indice
INTRODUCCION………………………………………………………………………………….. ….3
Abstract ………………………………………………………………………………………………….3
RESUMEN………………………………………………………………………………………………...4
Estado del arte………………………………………………………………………………………….5
1 Investigación……………………………………………………………………………………......7
1.1 Servomotores…….……………………………………………………………………………….7
1.2 Tipos de servomotores…..……………………………………………………………………7
1.3 Componentes …………………………………………………………………………………….8
2.1 Tipos de articulaciones…..……………………………………………………………………10
2.2 Controladores……………….…………………………………………………………………….11
2.3 Precisión de los movimientos…………………………………………………….………..13
2.4Principales características de los robots………….……………………………………19
2.5 Puente H……………………………………………………………………………………………….21
2.6 Metodologí a………………………………………………………………………………………..22
3 Conclusiones-………………………………………………………………………………………….25
4 Bibliografía……………………………………………………………………………………………25
5 Apéndice…………………………………………………………………………………………………25
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INTRODUCCION
Se desarrollo y fabrico de un brazo mecánico de dos grados de libertad controlado por
un PIC16F883, para asistir a los estudiantes en el aprendizaje de materias
relacionadas con mecánica racional, electrónica, programación y robótica.
Este proyecto surge del reclamo que hay en la actualidad y de los conceptos que a deiniciar la construcción de un brazo mecánico controlado por un PIC.
El proyecto requirió de tres motores de corriente directa para la manipulación de sus
grados de libertad. Teniendo un costo considerable.
ABSTRACT
Was developed and fabricated a mechanical arm with three degrees of freedom
controlled by a PIC16F883 to assist students in learning materials related to rational
mechanics, electronics, programming and robotics.
This project stems from the claim that there is today and the concepts to start building
a mechanical arm controlled by a PIC.
The project required three DC motors for the handling of its degrees of freedom.
Having a considerable cost.
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RESUMEN
Diseñar y construir un prototipo de un brazo robot que explore las posibilidades
de su utilización para resolver tareas cotidianas en el hogar, para la ayuda depersonas con dificultad de movimiento. Realizar un prototipo a escala, con un volumenmáximo de 400x600x500 mm. Se podrán utilizar materiales fáciles de mecanizar,aunque no sean los más idóneos para su producción definitiva sin embargo nos daránuna idea para su futura modificación o diseño.El movimiento incluirá entre dos y tresgrados de libertad.
El movimiento lo aportarán motores de corriente continua,la alimentación seráde 5v para el microcontrolador y de 12v para la alimentación de los puentes H demosfets mediante fuentes de alimentación. El movimiento se transformará con losmecanismos y reductoras vistos en clase. El brazo del robot tendrá una finalidad libre.Se considera que este es un proyecto de investigación: lo que prima es explorar ideas
que una vez depuradas encuentren su utilización en la práctica y se valorará lainclusión de componentes y circuitos vistos en clase.
La base. Esta base se mueve horizontalmente, gracias a unos rieles que seutilizan para carpintería(closets, cajones) en los que van conectado un sistema piñóncremallera. En dicho mástil está situado un sistema de piñón-cremallera al que vaconectado el pincel y la base principal que es el soporte del proyecto será fijado a labase de una mesa.El brazo robot lleva dos circuitos (descritos más adelante) quecontrolados con conmutadores.
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ESTADO DEL ARTE
Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imitan las partes del cuerpo
humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a las estatuas de sus ioses.
Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento
de estos era inspiración de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas queoperaban con sistemas hidráulicos, los cuales se utilizaban para fascinar a los
adoradores de los templos
El inicio de la robótica actual puede fijarse en la industria textil del siglo XVIII, cuando
Joseph Jacquard inventa en 1801 una máquina textil programable mediante tarjetas
perforadas. La revolución industrial impulsó el desarrollo de estos agentes mecánicos,
entre los cuales se destacaron el torno mecánico motorizado de Babbitt (1892) y el
mecanismo programable para pintar con spray de Pollard y Roselund (1939).
Además de esto durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muñecos
mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas características de robots. Jacques deVauncansos construyó varios músicos de tamaño humano a mediados del siglo XVIII.
Esencialmente se trataba de robots mecánicos diseñados para un propósito
específico: la diversión. En 1805, Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica
que era capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como ' el programa '
para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. La palabra robot se empleó por
primera vez en 1920 en una obra de teatro llamada "R.U.R." o "Los Robots niversales
de Rossum" escrita por el dramaturgo checo Karel Capek. La trama era sencilla: el
hombre fabrica un robot luego el robot mata al hombre. Muchas películas han seguido
mostrando a los robots como máquinas dañinas y amenazadoras. La palabra checa
'Robota' significa servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al ingles seconvirtió en el término robot.
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ANTECEDENTES (INVESTIGACIÓN TEORICA)
Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser controlado,tanto en velocidad como en posición. Un servomecanismo es un actuador mecánico —generalmente un motor, aunque noexclusivamente—, que posee los suficientes elementos de control como para que sepuedan monitorizar los parámetros de su actuación mecánica, como su posición,velocidad, torque, etc.
Diversas clases de servos, incluyendo lineales
En realidad se utilizan muchos otros tipos de servos (o servomotores, mejor) enequipos industriales y comerciales, desde una diskettera en nuestra computadora —oen la videocassettera hogareña—, a las unidades de almacenaje y entrada y salida dedatos de grandes sistemas de computación (hoy, más que nada, discos magnéticos), yhasta en los ascensores en edificios. El motor de un ascensor, junto con su equipo decontrol y detectores de posicionamiento, no es ni más ni menos que un servomotor. Elmecanismo que saca para afuera el porta-CD de la lectora de CD de su computadoraes un servomotor.
¿Qué convierte un motor en servomotor? O mejor dicho ¿por qué se consideraque algunos motores son servomotores y otros no?
Un servomotor tiene integrado o adosado al menos un detector que permitaconocer su posicionamiento y/o velocidad. A los detectores de posición se les llama"encoders".
Aclarado esto, pasaré a esos servos a los que se refieren en los sitios que dije antes.Hablo de los servos para radiocontrol de modelos, como los de marca Futaba, Hitec,etc. Se trata de elementos para control de posición de alerones, timón, dirección (enautos), alimentación de combustible, etc, para modelos a escala, que se han vuelto
populares en robótica porque entre los disponibles en el comercio hay algunosbastante económicos, lo que los hace de más fácil acceso cuando se trata de laconstrucción de proyectos personales de robótica y automatización casera.
De estos servos de modelismo, comencemos con los servos que se conocen como"analógicos".
Servo analógico para modelismo
Estos servomotores se componen, en esencia, de un motor de corriente continua, un juego de engranajes para la reducción de velocidad, un potenciómetro ubicado sobre
el eje de salida (que se usa para conocer la posición) y una plaqueta de circuito para elcontrol.
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Si lo que se desea controlar es la posición de un servomecanismo, como en este caso,en lugar de un tacómetro (que es para medir velocidad) necesitamos un encoder deposición.
Si hablamos de un servo cuyomovimiento es giratorio, seránecesario un encoder (undetector que codifica laposición) que nos dé un valor
diferente a su salida según cualsea su posición en grados.
Los servos que se usan enmodelismo son de este tipo.Como dije antes, por lo generalposeen un motor de CC, quegira a velocidad alta, una seriede engranajes para producir lareducción de velocidad de giroy acrecentar su capacidad detorque, un potenciómetro
conectado al eje de salida (quees ni más ni menos que elencoder) y un circuito de control de la realimentación.
Estos servos reciben señal por tres cables: alimentación para el motor y la pequeñaplaqueta de circuito del control (a través de dos cables, positivo y negativo/masa), yuna señal controladora que determina la posición que se requiere. La alimentación deestos servos es, normalmente, de entre 4,8 y 6 voltios.
El estándar de esta señal controladora para todos los servos de este tipo, elegido parafacilitar el uso en radiocontrol, es un pulso de onda cuadrada de 1,5 milisegudos que
se repite a un ritmo de entre 10 a 22 ms. Mientras el pulso se mantenga en ese ancho,
Cables de unservo estándar(Haga clic en laimagen para verotrasconfiguraciones)
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el servo se ubicará en la posición central de su recorrido. Si el ancho de pulsodisminuye, el servo se mueve de manera proporcional hacia un lado. Si el ancho depulso aumenta, el servo gira hacia el otro lado. Generalmente el rango de giro de unservo de éstos cubre entre 90° y 180°de la circunferencia total, o un poco más, segúnla marca y modelo.
Señal y posiciones del servo
Componentes
Como se adelantó en El sistema robótico, un robot está formado por los siguienteselementos: estructura mecánica, transmisiones, actuadores, sensores, elementosterminales y controlador. Aunque los elementos empleados en los robots no sonexclusivos de estos (máquinas herramientas y otras muchas máquinas empleantecnologías semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots hanmotivado que en ellos se empleen elementos con características específicas.
La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda ciertasimilitud con la anatomía de las extremidades superiores del cuerpo humano, por loque, en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen elrobot, se usan términos como cintura, hombro, brazo, codo, muñeca, etc.
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Los elementos que forman parte de la totalidad del robot son:
manipulador controlador dispositivos de entrada y salida de datos dispositivos especiales
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Manipulador
Mecánicamente, es el componente principal. Está formado por una serie de elementosestructurales sólidos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten unmovimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos.
Las partes que conforman el manipulador reciben, entre otros, los nombres de: cuerpo,brazo, muñeca y actuador final (o elemento terminal). A este último se le conoce
habitualmente como aprehensor, garra, pinza o gripper .
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Cada articulación provee al robot de, al menos, un grado de libertad. En otraspalabras, las articulaciones permiten al manipulador realizar movimientos:
Lineales que pueden ser horizontales o verticales.
Angulares (por articulación)
(En los dos casos la línea roja representa la trayectoria seguida por el robot).
Existen dos tipos de articulación utilizados en las juntas del manipulador:
Prismática /Lineal - junta en la que el eslabón se apoya en un deslizador lineal.Actúa linealmente mediante los tornillos sinfín de los motores, o los cilindros.
Rotacional - junta giratoria a menudo manejada por los motores eléctricos y lastransmisiones, o por los cilindros hidráulicos y palancas.
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Básicamente, la orientación de un eslabón del manipulador se determina mediante loselementos roll , pitch y yaw
A la muñeca de un manipulador le corresponden los siguientes movimientos o gradosde libertad: giro (hand rotate ), elevación (wrist flex ) y desviación (wrist rotate ) como lomuestra el modelo inferior, aunque cabe hacer notar que existen muñecas que nopueden realizar los tres tipos de movimiento.
El actuador final (gripper ) es un dispositivo que se une a la muñeca del brazo del robotcon la finalidad de activarlo para la realización de una tarea específica. La razón por laque existen distintos tipos de elementos terminales es, precisamente, por las funcionesque realizan. Los diversos tipos podemos dividirlos en dos grandes categorías: pinzasy herramientas. Se denomina Punto de Centro de Herramienta (TCP, Tool Center Point ) al punto focal de la pinza o herramienta. Por ejemplo, el TCP podría estar en la
punta de una antorcha de la soldadura.
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Controlador
Como su nombre indica, es el que regula cada uno de los movimientos del
manipulador, las acciones, cálculos y procesado de la información. El controladorrecibe y envía señales a otras máquinas-herramientas (por medio de señales deentrada/salida) y almacena programas.
Existen varios grados de control que son función del tipo de parámetros que seregulan, lo que da lugar a los siguientes tipos de controladores:
de posición: el controlador interviene únicamente en el control de la posicióndel elemento terminal;
cinemático: en este caso el control se realiza sobre la posición y la velocidad; dinámico: además de regular la velocidad y la posición, controla las
propiedades dinámicas del manipulador y de los elementos asociados a él; adaptativo: engloba todas las regulaciones anteriores y, además, se ocupa de
controlar la variación de las características del manipulador al variar la posición
Otra clasificación de control es la que distingue entre control en bucle abierto y controlen bucle cerrado.
El control en bucle abierto da lugar a muchos errores, y aunque es más simple yeconómico que el control en bucle cerrado, no se admite en aplicaciones industrialesen las que la exactitud es una cualidad imprescindible. La inmensa mayoría de losrobots que hoy día se utilizan con fines industriales se controlan mediante un procesoen bucle cerrado, es decir, mediante un bucle de realimentación. Este control se lleva
a cabo con el uso de un sensor de la posición real del elemento terminal delmanipulador. La información recibida desde el sensor se compara con el valor inicialdeseado y se actúa en función del error obtenido de forma tal que la posición real delbrazo coincida con la que se había establecido inicialmente.
Dispositivos de entrada y salida
Los más comunes son: teclado, monitor y caja de comandos (teach pendant ).
En el dibujo se tiene un controlador (computer module) que envía señales a losmotores de cada uno de los ejes del robot y la caja de comandos (teach pendant ) lacual sirve para enseñarle las posiciones al manipulador del robot.
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La siguiente figura muestra un teach pendat para un tipo de robot industrial.
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Los dispositivos de entrada y salida permiten introducir y, a su vez, ver los datos delcontrolador. Para mandar instrucciones al controlador y para dar de alta programas decontrol, comúnmente se utiliza una computadora adicional. Es necesario aclarar quealgunos robots únicamente poseen uno de estos componentes. En estos casos, unode los componentes de entrada y salida permite la realización de todas las funciones.
Las señales de entrada y salida se obtienen mediante tarjetas electrónicas instaladasen el controlador del robot las cuales le permiten tener comunicación con otrasmáquinas-herramientas
Se pueden utilizan estas tarjetas para comunicar al robot, por ejemplo, con lasmáquinas de control numérico (torno, ...). Estas tarjetas se componen de relevadores,los cuales mandan señales eléctricas que después son interpretadas en un programade control. Estas señales nos permiten controlar cuándo debe entrar el robot a cargar
una pieza a lamáquina, cuandodeben empezar afuncionar lamáquina o elrobot, etc.
Entre estos seencuentran losejes que facilitanel movimientotransversal delmanipulador y lasestaciones deensamblaje, queson utilizadaspara sujetar lasdistintas piezasde trabajo.
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En la estación del robot Move Master EX (Mitsubishi) representada en la figura sepueden encontrar los siguientes dispositivos especiales:
A. Estación de posición sobre el transportador para la carga/descarga de piezasde trabajo.
B. Eje transversal para aumentar el volumen de trabajo del robot.C. Estación de inspección por computadora integrada con el robot.D. Estación de ensamble.
El robot cuenta con señales de entrada/salida para poder realizar la integración de sufunción incorporando estos elementos.
Principales características de los Robots
A continuación se describen las características más relevantes propias de los robots yse proporcionan valores concretos de las mismas, para determinados modelos yaplicaciones.
Grados de libertad Espacio de trabajo Precisión de los movimientos Capacidad de carga Velocidad Tipo de actuadores Programabilidad
Grados de libertad (GDL)
Cada uno de los movimientos independientes (giros y desplazamientos) que puederealizar cada articulación con respecto a la anterior. Son los parámetros que seprecisan para determinar la posición y la orientación del elemento terminal delmanipulador. El número de grados de libertad del robot viene dado por la suma de losGDL de las articulaciones que lo componen. Puesto que las articulaciones empleadassuelen ser únicamente de rotación y prismáticas, con un solo grado de libertad cadauna, el número de GDL del robot suele coincidir con el número de articulaciones que locomponen.
Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacioson necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres para la orientación,si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con él la pieza o
herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, seprecisará al menos seis grados de libertad.
En la imagen se muestra el esquema de un robot de estructuramoderna con 6 GDL; tres de ellos determinan la posición delaprehensor en el espacio (q1, q2 y q3) y los otros 3, laorientación del mismo (q4, q5 y q6).
Un mayor numero de grados de libertad conlleva un aumento dela flexibilidad en el posicionamiento del elemento terminal.Aunque la mayoría de las aplicaciones industriales requieren 6
GDL, como las de la soldadura, mecanizado y paletización, otrasmás complejas requieren un número mayor, tal es el caso en las
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labores de montaje. Si se trabaja en un entorno con obstáculos, el dotar al robot degrados de libertad adicionales le permitirá acceder a posiciones y orientaciones de suextremo a las que, como consecuencia de los obstáculos, no hubieran llegado conseis grados de libertad. Otra situación frecuente es dotar al robot de un grado delibertad adicional que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando así elvolumen del espacio al que puede acceder. Tareas más sencillas y con movimientosmás limitados, como las de la pintura y paletización, suelen exigir 4 o 5 GDL.
Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios pararealizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante.
Observando los movimientos del brazo y de la muñeca, podemos determinar elnúmero de grados de libertad que presenta un robot. Generalmente, tanto en el brazocomo en la muñeca, se encuentra un abanico que va desde uno hasta los tres GDL.Los grados de libertad del brazo de un manipulador están directamente relacionadoscon su anatomía o configuración.
Las dimensiones de los elementos delmanipulador, junto a los grados de libertad, definenla zona de trabajo del robot, característicafundamental en las fases de selección eimplantación del modelo adecuado.La zona de trabajo se subdivide en áreasdiferenciadas entre sí, por la accesibilidadespecifica del elemento terminal (aprehensor oherramienta), es diferente a la que permiteorientarlo verticalmente o con el determinadoángulo de inclinación.También queda restringida la zona de trabajo por
los limites de giro y desplazamiento que existen enlas articulaciones.
El volumen de trabajo de un robot se refiere únicamente al espacio dentro del cualpuede desplazarse el extremo de su muñeca. Para determinar el volumen de trabajono se toma en cuenta el actuador final. La razón de ello es que a la muñeca del robotse le pueden adaptar grippers de distintos tamaños.
Para ilustrar lo que se conoce como volumen de trabajo regular y volumen de trabajoirregular, tomaremos como modelos varios robots.
El robot cartesiano y el robot cilíndrico presentanvolúmenes de trabajo regulares. El robot cartesianogenera una figura cúbica.
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El robot de configuración cilíndrica presenta unvolumen de trabajo parecido a un cilindro(normalmente este robot no tiene una rotación de
360°)
Por su parte, los robots que poseen unaconfiguración polar, los de brazo articulado y losmodelos SCARA presentan un volumen de trabajoirregular.
Para determinar el volumen de trabajo de un robot industrial, el fabricante eneralmenteindica un plano con los límites de movimiento que tiene cada una de las articulacionesdel robot, como en el siguiente caso:
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La precisión de movimiento en un robot industrial depende de tres factores:
resolución espacial exactitud repetibilidad
La resolución espacial se define como el incremento más pequeño de movimiento enque el robot puede dividir su volumen de trabajo.
Las inexactitudes mecánicas se encuentran estrechamente relacionadas con la calidadde los componentes que conforman las uniones y las articulaciones. Como ejemplosde inexactitudes mecánicas pueden citarse la holgura de los engranajes, las tensionesen las poleas, las fugas de fluidos, etcétera.
PUENTE H
Una vez que ya fue explicado el funcionamiento de cada motor, el circuitotambién contara con 5 circuitos de puentes H, estos puentes H su funcionalidad seráque hagan que los motores CD puedan funcionar en dos sentidos distintos, ya seapara la izquierda o para la derecha sin que estos lleguen a tener un corto.
Como vamos a estar trabajando con un mecanismo el cual llegara a necesitarregresar a su forma original, por cuestiones prácticas es más efectivo un mecanismo elcual pueda moverse en un área en específico y que no abarque toda unacircunferencia o un área extensamente grande. El diagrama del circuito integrado delpuente H es el siguiente:
Se realizo el primer diseño por medio de planos a mano para encontrar la mejorsolución para su diseño. Se empezaron a implementar los primero protototipos decircuitos con transistores TIP122, MOSFET IRF730, arreglo Darlington y puentes Hcon los mismos componentes para cotejar cual es mejor diseño debido a que losmotores exigían el máximo consumo de corriente se podía observar la caída de
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voltaje. Debido a esos problemas se tuvieron que encontrar soluciones con estos
transistores.
METODOLOGIA
Circuito con Tip 122
Se realizo un dispositivo de prueba con un DAC804 y un potenciometrohorzontal para
medir la resistencia del brazo en código binario.
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Se tomo como referencia un brazo robotico industrial que cumplía con las funciones deseparar piezas defectuosas de un lote de objetos de plástico.
Tomando encuenta el modelo anterior se empezaron hacer planos en autocad de cadapieza para su diseño y ensamble del mismo dispositivo.
Se realizaron prototipos electrónicos de circuitos en simulador PROTEUS paraverificar su desempeño y poder modificarlos sin tener que llegar a invertir mas delpresupuesto requerido. En este caso se simulo el pic con su circuito correspondiente
para confirmar su buen funcionamento.
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Despues de haber checado su funcionamiento en el simulador se transfiere el diseñoa su armado físico en una protoboard. S e realizan pruebas de su funcionamiento paraconfirmar su desempeño optimo.
Posteriormente se empieza a diseñar la base y el prototipo del brazo robotico con
materiales de fácil acceso como las canaletas de aluminio y cuerdas de plástico parasimular la bandas de motores.
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Ya verificados y probados todos los componentes se realiza el ensamble de todoscomponentes mecánicos y electrónicos. Para realizar pruebas de desempeño y sabersi el brazo resiste el pes requerido.
CONCLUSIONES
Es muy importante el uso de materiales livianos para la construcción de un brazomecánico, ya que todo peso adicional redundará en una complejidad mecánica yeconómica, debido a que obligará a utilizar motores de mayores potencias. Un buenmaterial es el aluminio, este es fácil de conseguir, relativamente económico yextremadamente liviano en comparación con su dureza.
BIBLIOGRAFIA
+ ROBOTICA control, visión e inteligencia K.S.Fu, R.C Gonzalez, C.S.G. Lee Edito McGrawhill
+ Microcontrolador Pic 16f84 Desarrollo de Proyectos Edit RA-MA
+ Diseño de Maquinaria Norton Edit Mc Graw Hill
APENDICE
TIP122 www.datasheetcatalog.com/datasheets DAC800 http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/D/A/C/0/DAC0800.shtml
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PIC16F883 http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30487c.pdf
MOSFET IRF730 http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/97868/IRF/IRF730.html
PUETE H L293http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXurruu.pdf
