UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONÓMA DE MÉXICOFACULTAD DE INGENIERÍADEPARTAMENTO DE CONTROL Y ROBÓTICAINSTRUMENTACIÓN VIRTUALPROYECTO FINAL:“BRAZO MÉCANICO CON LABVIEW Y ELMICROCONTROLADOR ARDUINO”  Nombre: RAMIREZ CHAVARRÍA ROBERTO GIOVANNIProf.: ING. CÉSAR CASTRO RENDÓNSEMESTRE 2012-1

  Objetivo:Realizar el control de un brazo mecánico con movimiento por servomotores mediante uninstrumento virtual con el software Labview de National Instruments mediante una interfaz con elmicroncontrolador “Arduino”. Este proyecto consta de la realización, el diseño, fabricación e implementación de un brazomanipulador a pequeña escala. El objetivo primordial de este proyecto es la realización de unbrazo mecánico para poder ser analizado, probado y estudiado en pequeña escala para en unfuturo y con mejoras pueda ser implementado en la industria.IntroducciónUn robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias,piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas pararealizar tareas diversas.Esta definición, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la Organización Internacional deEstándares (ISO) que define al robot industrial como: Manipulador multifuncional reprogramablecon varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivosespeciales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas.Los manipuladores, conocidos también como brazos mecánicos son sistemas mecánicosmultifuncionales, con un sencillo

sistema de control de los cuales existen 3 tipos:a) Manual: cuando un operario controla directamente al manipuladorb) Secuencia fija: cuando se repite de forma invariable el proceso de trabajo preparadopreviamentec) Secuencia variable: se pueden modificar características del ciclo de trabajo Una particularidadde estos robots es que mientras las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas sonampliamente usados.Robots de repetición o aprendizajeEstos manipuladores se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutadapor un operador, haciendo uso de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En la fase deenseñanza el operador usa una pistola de programación con diversos pulsadores, teclas, joysticks,o bien utiliza un maniquí o desplaza directamente la mano del robot. Esta clase de robots son losmas conocidos hoy en día en los ambientes industriales y su tipo de programación que incorporanse conoce como gestual.  Planteamiento del Problema:En un inicio cuando surgió la idea del brazo mecánico para poder asimilarlo a un robotmanipulador, se contaba con la información sobre la DAQ 6063 de National Instruments parapoder utilizar sus contadores de frecuencia para obtener salidas PWM las cuales serían útiles parala realización de proyecto, sin embargo investigando más sobre la versatilidad de Labview pudeencontrar información sobre cómo integrar al microcontrolador Arduino con Labview y así poderloutilizar como una DAQ. La configuración del microcontrolador se menciona en el siguiente punto.LABVIEW + ARDUINO:“ LA INTELIGENCIA DE ARDUINO RADICA EN SU LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN ”  El NI LabVIEW Interface for Arduino Toolkit le ayuda a establecer interfaz fácilmente con el microcontrolador Arduinousando LabVIEW.Con este juego de herramientas y LabVIEW, usted puede controlar y adquirir datos desde el microcontrolador Arduino.Una vez que la información está en LabVIEW, analícela 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 actúa como un motor de E/S que se conecta con los VIs de LabVIEW através de una conexión serial. Esto le ayuda a mover información rápidamente desde pines Arduino a LabVIEW sinajustar la comunicación, la sincronización o incluso una sola línea de código C. Al usar Open, Read/Write, Close enLabVIEW, usted puede tener acceso a las señales digitales, analógicas, moduladas por ancho de pulso, I2C y SPI delmicrocontrolador Arduino. Para aprender cómo opera la funcionalidad para que pueda modificar o extenderla, busqueen los subVIs o abra el boceto Arduino.Nota:

El microcontrolador Arduino debe estar conectado a la PC con LabVIEW a través de un enlace USB, serial,Bluetooth o XBee. Este juego de herramientas no hace posible una operación autónoma.A partir de la versión 2009 de Labview, National Instruments ofrece la posibilidad de integrar almicrocontrolador Arduino a su ambiente de trabajo, lo cuál nos pueda ayudar en muchosaspectos, claro está sin llegar a las grandes capacidades de las DAQ propias de NationalInstruments, pero ¿cómo realizar esta integración?. A continuación se presenta una breve guía.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 IDEde Arduino, generalmente este Firmware se encuentra ubicado en la siguiente ruta:

C:\Program Files\National Instruments\LabVIEW 2011\vi.lib\LabVIEW Interface forArduino\Firmware6) Posteriormente para que exista la conexión entre Labview y Arduino debemos de tener losdrivers NI-VISA en nuestra computadora, en caso de no tenerlos debemos descargarlos dela siguiente dirección  http://www.ni.com/visa/  7) Hecho esto debemos de verificar mediante el MAX de National Instruments en la secciónDevices & Interfaces que tengamos al microcontrolador Arduino en algún puerto decomunicaciones 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 interfazArduino.** NOTA IMPORTANTE:En algunas tarjetas de Arduino como en Arduino Duemilanove al ejecutar el vi nos manda un error5003 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 dedispositivos de Windows y en Labview.2) Cambiar la configuración del vi Init de Arduino, como se muestra a continuación

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

”comoconstante asignada al tiempo de espera, por default viene un valor de“1000”, éste debe sersustituido por“2000”como en la figura anterior.En Resumen LABVIEW + ARDUINO: Fácil acceso para DIO Arduino, AI, PWM, I2C y SPI desde Labview Boceto del motor de E/S para cargar en Arduino Ejemplos para tareas básicas y sensores Inalámbricos con Bluetooth o XBee Velocidades: USB enlazada (200 Hz) e inalámbrico (25 Hz) El boceto abierto Arduino y los VIs del juego de herramientas le ayudan a personalizar la funcionalidad

Diseño del Brazo Mecánico:Para el diseño del brazo mecánico tomé como base el siguiente dibujo:Cómo podemos observar, el brazo tendrá 2 articulaciones, una en el hombro y otra en el codo, así como la capacidad de girar 180° sobre su propio eje, esto nos indica que nuestro brazo tendrá dosgrados de libertad, un grado por cada articulación.El material para la construcción debe ser ligero, por lo que decidí utilizar hojas de PVC echasespecialmente para su utilización en robótica, ya que es fácilmente manipulable para ser cortado yde costo accesible.Dimensiones:-Base 25 cm de diámetro-Primer eslabón (vertical) 25 cm de largo por 8 de ancho-Segundo eslabón (del hombro al codo) 12.5 de largo por 8 de ancho.-Tercer eslabón (terminal) 10 cm de largo por 8 de ancho.ELECTRÓNICA DEL BRAZO:Como hemos mencionado el brazo contará con dos articulaciones, y una rotación sobre su propioeje. En un principio se decidió utilizar un servomotor para cada articulación ( total 2 servomotores)y para el giro del brazo un motor a pasos. En primera instancia tuve problemas para poder realizarla secuencia para accionar la lógica del motor a pasos unipolar ( 6 hilos) ya que no puedo teneruna bloque de Arduino en Labview que me permita hacer algo parecido a un corrimiento de bits,

después de días de pruebas logré el funcionamiento del motor a pasos con una secuencia demedio paso. Pero surgió otro problema en el laboratorio no se contaba con una fuente decorriente variable, indispensable para el funcionamiento ya que el motor al momento de tenercarga demanda más corriente y ésta no podía ser suministrada por el arreglo de transistoresDarlington del circuito integrado ULN2003 y por tanto necesitaba de aumentar la corriente en lafuente, cosa que fue imposible de realizar al no tenerla en el laboratorio.Entre comillas este problema era fácil de solucionar, poner otro servomotor en lugar del motor apasos, pero no contaba con los recursos para poder adquirirlo, y después de unos días logrecomprarlo y así todo problema se solucionó.Finalmente el brazo tiene tres servomotores para su movimiento uno por cada articulación (2) yuno para el giro sobre su propio eje (1).A continuación se muestra una imagen del brazo y sus articulaciones.¿Cómo funcionan los servomotores?Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede serllevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señalcodificada

exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje.Cuando la señal codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, seusan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeñosascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.Los Servos son sumamente útiles en robótica. Un servo, por consiguiente, no consume muchaenergía. El servomotor tiene 3 cables de conexión externa. Uno es para alimentación Vcc(+5volts), conexión a tierra GND y el alambre de control.El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una resistencia variable)esta es conectada al eje central del servo motor. En la figura se puede observar al lado derecho delcircuito. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual delservo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuitochequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar alángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, enalgunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa paracontrolar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecánicamentecapaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones delfabricante.El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está determinado por la duración deun pulso que se aplica al alambre de control. A esto se le llama PCM Modulación codificada dePulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulsodeterminará los giros de motor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor se torne a laposición de 90 grados (llamado la posición neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces elmotor se acercará a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercará a los 180grados.Servomotores utilizados en el brazo:1 Servo marca Vigor de 1.5Kg de Torque para la articulación que contiene al eslabón terminal.1 Servo marca Vigor de 3Kg de Torque para la articulación que contiene al eslabón entre elhombro y el codo.1 Servo marca Vigor de 3Kg de Torque para el giro completo del brazo sobre su propio eje.Conexión de los Servomotores a la tarjeta Arduino.En la siguiente imagen se muestran las conexiones realizadas al microcontrolador Arduino para elcontrol de los servomotores, en ésta imagen solo se muestran dos servomotores pero lo lógica deconexión del tercero es idéntica.

 Para la alimentación de los servos (5V) podemos utilizar la propia del microcontrolador, por lotanto el voltaje va al pin de 5V, la tierra el pin GND, y los cables de control de los servos a los pineselegidos 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 indicará los grados de giro del brazosobre su propio eje valores entre 0 y 180 grados y la velocidad de giro (valores entre 1 y 10) enorden creciente éstos valores son directamente proporcionales a la velocidad. Esto es 1 para lomas lento posible y 10 para lo más rápido.

Éste control permitirá al brazo girar desde el origen a los grados y velocidad seleccionados por elusuario y regresar al origen al llegar a los grados indicados.Controles de las articulaciones.Estos controles actúan idénticamente para las articulaciones, el usuario ingresa el valor de losgrados que desee que gire en los controles numéricos, mediante teclado o moviendo el KNOBrespectivo, así cada servomotor se moverá de acuerdo a lo indicado por el usuario

mediante éstoscontroles, entre 0 y 180 grados.El panel frontal cuenta con un botón de paro para detener la ejecución del programa.DIAGRAMA DE BLOQUESEl primer paso para indicar a Labview que utilizaremos la interfaz con el microcontrolador Arduinoes el bloque Init, con el cuál estaremos iniciando la comunicación entre ambos, cabe mencionarque debemos agregar una constante o control para indicar el puerto de comunicaciones utilizadopor Arduino, el cual se verifico previamente mediante MAX.Bloque InitEl toolkit de Arduino para Labview nos da la posibilidad de trabajar directamente conservomotores, mediante bloques que son sencillos de trabajar.El siguiente bloque que se debe agregar para indicar el número de servos a utilizar, en mi caso sontres, por lo que basta con agregar una constante para indicarlo.Ahora debemos de incializar los servomotores, ponerles un nombre y decir en que pines deArduino están conectados, para ello agregamos constantes en las terminales“ServoNumber”y“Pin”respectivamente.Todo esto lo hacemos fuera del ciclo while que nos permitirá ejecutar de manera constante elprograma, como se muestra en la siguiente imagen.

 Dentro del ciclo while el siguiente paso es agregar los bloques de escritura al servo y lectura alservo, estos nos permitirán agregar los controles numéricos para indicar los grados de giro alservomotor y posteriormente para que el Arduino haga la lectura de dicho valor y se veo reflejadodirectamente 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 soluciónpara poder realizar su movimiento de forma automática, para ello fue necesario realizar lamultiplicación del valor de control numérico de velocidad de giro por el número“i”que contienela iteraciones del ciclo while y dividir éste resultado entre el valor de los grados que el usuariodesee que el brazo gire. Con éste resultado final podemos indicar el bloque“escribir en el servo”,la velocidad y posición del servo.Todo esto se muestra en la siguiente imagen y cabe mencionar que como si

estuviéramosutilizando una DAQ de National Instruments el clúster de trabajo debe ser unido entre los bloques

del programa así como el clúster de error, que nos indicará el posible error en caso de encontraralgún fallo en la ejecución del programa.Finalmente debemos indicar que el trabajo de Arduino ha terminado mediante el bloque Close. El cuál debe colocarse fuera el ciclo while y agregar el bloque de error simple para queLabview sea capaz de indicarnos de manera explícita el estado del clúster de error.

OPERACIÓN AUTOMÁTICA DEL BRAZOEn éste instrumento virtual vimos que solo uno de los servos opera de manera automática, por loque es completamente posible que los tres servos lo hagan de manera simultanea, y así tener uncomportamiento automático del brazo.Para ello basta con extrapolar la información proporcionada anteriormente sobre la operaciónrealizada para indicar al primer servo la velocidad y posición de él, a los demás servos.Teniendo un diagrama de bloques similar al siguiente:CONCLUSIONES.Al terminar el proyecto los objetivos se cumplieron plenamente, durante la realización se tuvieronciertos problemas como lo del motor a pasos, la configuración del microcontrolador con Labviewal tener el

error 5003, pero después de investigar y a ensayo y error se pudieron solcuionar.Decidí llevar a cabo el control del brazo con el microcontrolador Arduino y Labview ya que mepareció un excelente complemento para la clase de Instrumentación Virtual de la cuál obtuvetodos los conocimientos sólidos de Labview para programar instrumentos virtuales, y noquedarme solo con la DAQ utilizada en el laboratorio si no extender mis conocimientos asituaciones de la vida profesional diaria como lo es en nuestro campo el uso demicrocontroladores. Además fue una excelente opción para poder trabajar desde mi hogar en elproyecto al no tener la necesidad de la DAQ y solo poder trabajar en el laboratorio sujeto a ciertoshorarios.

La versatilidad de Arduino me permitió poder resolver los problemas de manera sencilla y eficaz,además de su tamaño y costo.Finalmente puedo concluir que es un proyecto muy completo ya que se lograron combinarconocimientos de Instrumentación Virtual, Automatización, Microcontroladores, Electrónica yRobótica de manipuladores.REFERENCIAShttp://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, Iñigo Madrigal Rafael, Ed. Alfaomega, Universidad Politénicade Catalunya