Banda separadora de colores, Proyectos de Programación C. Instituto Politécnico Nacional
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Banda separadora de colores, Proyectos de Programación C. Instituto Politécnico Nacional

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Este proyecto trata de una banda transportadora que separa los colores rojo, verde y azul.
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Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingenieŕıa y Tecnoloǵıas Avanzadas del I.P.N. (UPIITA), Ingenieŕıa Mecatrónica, Programación Avanzada,

Grupo 2MV5

Sistema clasificador de piezas

Profesora: Obdulia Pichardo Lagunas Equipo: 7

Integrantes: Cruz Oviedo Arturo

Dı́az Gutiérrez Aaron Murillo Dı́az Mario Alberto

Ramı́rez Arista Héctor

Resumen

En este trabajo serán explicados los pasos para desarrollar el diseño, construcción y resultados durante todo este semestre de un sistema mecatrónico cuyo principal objetivo es clasificar piezas de Lego de 3 distintos colores (RGB) para la asignatura de Programación Avanzada. Dicho proyecto consta de una banda que servirá para transportar legos de diferentes colores que con la ayuda de otro mecanismo y un sistema basado en principios de visión artificial que también serán diseñados y programados respectivamente, separarán los legos por color, por lo que hay que tomar en cuenta que las posibilidades en la elección de materiales, componentes y parámetros de diseño abarcan un rango muy amplio que hay que valorar para decidir la mejor opción para un óptimo desarro- llo en nuestro proyecto. Todas las decisiones deberán ser tomadas por la correcta comparación entre todas las posibilidades, pero aśı mismo tomando en cuenta ciertas condiciones como lo son las economı́a, disponibilidad, étc. Por lo que es correcto decir que este proyecto busca llegar a soluciones propias basadas en ideas que surjan de uno mismo. Los objetivos de este proyecto se enfocan en cierta metodoloǵıa existente para lograr una optimización y evolu- ción en el software que controlara el sistema, sin dejar a un lado el funcionamiento correcto de la parte mecánica y electrónica, todo esto mediante la aplicación de los conocimientos que se adquieren durante el semestre para lograr la aplicación de ideas propias, desarrollo de habilidades intelectuales aśı como habilidades manuales y en base a trabajo en equipo llegar al desarrollo óptimo de en una banda transportadora que lleve a cabo la tarea solicitada. Debido a que el proyecto será evaluado compitiendo con otras bandas transportadoras fabricadas por nuestros compañeros del curso, se debe tomar en cuenta que el mı́nimo error en el diseño o montaje puede repercutir gravemente en aspectos, de ah́ı la importancia de la correcta planeación para hacer un buen diseño, además de pruebas con el proyecto y llevarlo a su máximo potencial. Se hará uso de herramientas como el PDS (Product Design Specification), el Diseño Conceptual y Análisis Morfológico para la correcta elección de diseños, mate- riales, herramientas para garantizar el funcionamiento correcto del proyecto. Posteriormente se entra a explicar cada detalle de las partes que integran la banda transportadora, dando in- formación sobre su elección, montaje y principales advertencias para su óptimo funcionamiento.

Abstract

This paper concerns the methodology which will be followed during this semester in order to develop the design and construction of a mechatronical system which’s main purpose is to classify and store three different colour (RGB) Lego pieces for the Advanced Programming Subject. This mechatronical system will be integrated by different subsystems, such as a conveyor belt, which’s function is to transport the pieces through the system, a Computer Vision system, which will be classifying the pieces by their color (Red, Green or blue), and a mechanism which will be storing the pieces once assorted. In order to develop an optimal system, the large amount of possibilities involving materials and components

1

selection must be considered. Every decision needs to be based not only on a suitable previous comparation between all possibilities, but also on the different limitations considered as students, such as economy, availabi- lity, etc. Therefore it’s right saying this Project looks forward to achieving proper solutions based on the team ideas, knowledge and abilities learned so far in the career. This Project heads to constantly evolve in the programming which will be controlling the system, without excluding the value of the mechanical and electronic parts, so its needed teamwork to be evolving along with this Project. Considering that this Project will be competing with our classmates projects, it is vital to avoid any kind of error, because even the minor of them can play an important role on the Project ratings. So it is important to make a right planning using the Mechatronics design tools, such as the Product Design Specification (PDS), Conceptual Design and Morphological Analysis.

Palabras Clave

Programación, visión artificial, interfaz, banda, Python, control, selección, monitoreo.

Introducción

Python

Python es un lenguaje de programación que te permite trabajar rápidamente e integrar los sistemas de manera más efectiva. Se trata de un lenguaje de programación multiparadigma, ya que soporta orientación a objetos, programación imperativa y, en menor medida, programación funcional. Es un lenguaje interpretado, usa tipado dinámico y es multiplataforma. Es administrado por la Python Software Foundation. Posee una licencia de código abierto, denominada Python Software Foundation License, que es compatible con la Licencia pública general de GNU a partir de la versión 2.1.1, e incompatible en ciertas versiones anteriores.

Visión Artificial

La visión artificial consiste en la captación de imágenes en ĺınea mediante cámaras CCD y su posterior trata- miento a través de técnicas de procesamiento avanzadas, permitiendo aśı poder intervenir sobre un proceso o producto, para el control de calidad y seguridad de toda la producción.

Un sistema de visión artificial:

∗ Capta una imagen de un objeto real

∗ La convierte en formato digital

∗ La procesa mediante un ordenador

∗ Obtiene unos resultados del proceso

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Figura 1. Diagrama de visión artificial

Módulo de digitalización. Convierte la señal analógica proporcionada por la cámara a una señal digital (para su posterior procesamiento). Memoria de imagen. Almacena la señal procedente del módulo de digitalización. Módulo de visualización. Convierte la señal digital residente en memoria, en señal de v́ıdeo analógica para poder ser visualizada en el monitor de TV. Procesador de imagen. Procesa e interpreta las imágenes captadas por la cámara. Módulo de entradas/salidas. Gestiona la entrada de sincronismo de captación de imagen y las salidas de control que actúan sobre dispositivos externos en función del resultado de la inspección. Comunicaciones. Vı́a I/O, ethernet, RS232 (la más estándar). 1

OpenCV

OpenCV es una biblioteca libre de visión artificial originalmente desarrollada por Intel. Desde que apareció su primera versión alfa en el mes de enero de 1999, se ha utilizado en infinidad de aplicaciones. Desde sistemas de seguridad con detección de movimiento, hasta aplicaciones de control de procesos donde se requiere reco- nocimiento de objetos. Esto se debe a que su publicación se da bajo licencia BSD, que permite que sea usada libremente para propósitos comerciales y de investigación con las condiciones en ella expresadas. Open CV es multiplataforma, existiendo versiones para GNU/Linux, Mac OS X y Windows. Contiene más de 500 funciones que abarcan una gran gama de áreas en el proceso de visión, como reconocimiento de objetos (reconocimiento facial), calibración de cámaras, visión estérea y visión robótica. El proyecto pretende proporcionar un entorno de desarrollo fácil de utilizar y altamente eficiente. Esto se ha logrado realizando su programación en código C y C++. OpenCV tiene una estructura modular, lo que quiere decir que el paquete completo incluye varias bibliotecas compartidas y son varios módulos que se incluyen en este paquete sin embargo el usado será: Image Processing (procesamiento de imagen): en este módulo se incluyen filtros de imagen lineales y no lineales, transformaciones geométricas de imagen y la más importante conversiones del espacio de colores.

Sistemas de control

Definición. Sistema de control es el conjunto de dispositivos que actúan juntos para lograr un objetivo de control.

1http:visonartificial.fpcat/wp-content/uploads/UD-1-didac-Conceptos-previos.pdf

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Figura 2. Esquema de un sistema de control.

Sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado:

∗ Ejemplos de sistemas con control: Motor DC controlado por armadura.

∗ Objetivo: Velocidad o posición deseadas.

∗ Variables de control: Voltaje o intensidad de armadura.

∗ Perturbaciones: Par de carga

Dentro de esta etapa se proponen las siguientes preguntas con la finalidad de ayudar a tener un manejo claro y preciso de los datos.

1. ¿Qué se quiere regular? Se regulara la velocidad con la cual se moverá la banda transportadora determinando un tiempo adecuado en el cual la cámara, con ayuda de un código e interfaz reconocerá el color de una pieza de lego. La velocidad y posición de un servo motor el cual es de utilidad para poder clasificar la pieza de lego en uno de los tres grupos de colores (ROJO, VERDE Y AZUL) basándose en lo obtenido en el proceso antes descrito. La tensión de la banda podrá ser regulada usando un tensor fijo manual para que siempre este en buen contacto con el rodillo logrando aśı un movimiento eficiente.

2. ¿Qué hay que medir o determinar? Se reconocerá, almacenara y visualizará los datos del color de una pieza de lego (ROJO, VERDE Y AZUL). Siendo aśı un control de una entrada y una salida o SISO (single input, single output).

3. ¿Perturbaciones? Fondo desordenado esto puede causar un problema a la hora de determinar el color debido a que puede haber un objeto, persona o material de los colores que se van a reconocer generando aśı una mala adqui- sición de los datos. La luz juega un papel importante, consiste en dirigir y rebotar luz hacia un objeto con la intención de que ésta pueda ser registrada por un sensor electrónico CCD o CMOS. La luz resulta fundamental ya que sin ésta no es posible plasmar una imagen.

Bandas transportadoras

Las bandas transportadoras han tenido un uso intensivo en la industria desde hace más de 200 años, dichas bandas se basan en la transportación continua y en la facilidad para la selección y el empaque del producto de for- ma que en la actualidad, toda una industria se dedica a fabricar partes por separado de dichos transportadores. 2

Los aspectos a considerar en la construcción de una banda transportadora son:

∗ Ancho de la banda: es utilizado para determinar la capacidad de la banda, aśı como los pesos de las partes móviles, con los cuales se calcula la tensión efectiva.

∗ Velocidad de la banda: la velocidad de la banda en pies/min. (PPM) es usada para el cálculo de la tensión efectiva y potencia requerida. La capacidad de una banda cargada totalmente, depende de la velocidad de ella.

∗ Diámetro de poleas: los diámetros de poleas existentes pueden limitar la selección de las bandas de re- posición. Las poleas con los diámetros correctos contribuyen a prolongar la vida del empalme y de la banda.

2http://eprints.uanl.mx/7742/1/1020135197.PDF

4

∗ Empalmes: el tipo de empalme determina la tensión máxima permisible de la banda. Los empalmes vulcanizados son más eficientes y durables que los de grapas, baja los costos de la banda y los cambios de los empalmes son menos frecuentes.

∗ Capacidad: la capacidad máxima es la que se emplea en las fórmulas de carga se transforma al valor Q (lb de carga por pie de longitud de transportador) en los cálculos para la tensión y para las consideración de soporte de carga.

∗ Transmisión: los detalles de la transmisión son necesarios. Se necesita conocer si la transmisión es de una polea motriz o de dos, si las superficies de las poleas son lisas o recubiertas, aśı como el arco de contacto de la polea o grados en poleas. De esta información depende el cálculo de la tensión del lado del retorno, asimismo deberá especificarse la localización de la transmisión.

∗ Motor de la transmisión: se requiere conocer los datos del motor como: potencia, las r.p.m. y el tipo de sistema de arranque (a través de la ĺınea o controlado). Tales valores permiten una comparación con la potencia calculada e indican hasta que punto se puede sobrecargar la banda. 3

Transmisión por bandas

Las transmisiones por banda, en su forma más sencilla, consta de una cinta colocada con tensión en dos poleas: una motriz y otra movida. Al moverse la cinta (banda) trasmite enerǵıa desde la polea motriz a la polea movida por medio del rozamiento que surge entre la correa y las poleas. Las bandas se distinguen por la forma de la sección transversal, por la construcción, material y tecnoloǵıa de fabricación, pero el rasgo más importante que determina la construcción de las poleas y de toda la transmisión, es la forma de la sección transversal de la correa. En función de la forma de la sección transversal, las correas de transmisión son clasificadas como:

∗ Bandas Planas.

∗ Bandas Especiales o en ”V”.

∗ Bandas Redondas.

∗ Bandas Eslabonadas.

∗ Bandas Dentadas.

∗ Bandas Nervadas o poli V.

Bandas Planas

Las transmisiones de banda plana ofrecen flexibilidad, absorción de vibraciones, transmisión eficiente de po- tencia a altas velocidades, resistencia a atmosferas abrasivas y costo comparativamente bajo. Estas pueden ser operadas en poleas relativamente pequeñas y pueden ser empalmados o conectados para funcionamiento sinf́ın.

Figura 3. Banda Plana

3https://rafaelramirezr.files.wordpress.com/2015/03/manual-ingenieria-bandas-transportadoras.pdf

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Bandas Especiales o en ”V”

Las bandas en V son las más utilizadas en la industria; adaptables a cualquier tipo de transmisión. Se dispone de gran variedad las cuales brindas diferente tipo de peso de carga. Normalmente las tensiones de bandas en V funcionan mejor a velocidades de 8 a 30 m/s. para bandas estándar la velocidad ideal es de aproximadamente 23 m/s. Sin embargo, hay algunas como las bandas en V angostas que funcionan hasta a 50 m/s. Estas bandas en V siempre se fabrican en secciones transversales estándar.

Figura 4. Banda Especial o en ”V”

Bandas Redondas

Las bandas redondas se utilizan en transmisiones de poca potencia, como máquinas de oficina y enseres domésti- cos. Debido a la simetŕıa de una sección redonda, es muy sencillo trabajar con ejes múltiples u oblicuos, por lo que pueden ser útiles en aparatos con transmisiones complicadas.

Figura 5. Banda Redonda

Bandas Eslabonadas

La banda eslabonada puede cubrir ampliamente y en forma satisfactoria la mayoŕıa de los requerimientos industriales de bandas en ”V”. Absorben hasta el 90

Figura 6. Banda Eslabonada

Bandas dentadas

Las bandas dentadas moldeadas son la mejor y más rentable alternativa para la transmisión de potencia con banda en V. El diseño de las ranuras moldeadas ofrece una disipación inmediata del calor generado durante

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la operación de las transmisiones, pueden circular con facilidad sobre poleas de diámetros pequeños, y ofrecen mayor vida útil que las bandas tradicionales de la competencia.

Figura 7. Banda Dentada

Bandas Nervadas o poli V

Estas bandas se utilizan para el transporte inclinado de material a granel de tamaño medio y grande, permitien- do la evacuación de agua gracias a que los nervios no se cierran. Los recubrimientos estándar son anti abrasivos, resistentes a los agentes atmosféricos y con un rango de temperatura de trabajo desde -20o a +70oC, aunque este recubrimiento podŕıa ser particularizado según necesidades. El perfil del nervio permite un transporte con incli- nación de hasta 30o, además el paso de dicho nervio ha sido estudiado para que no dañe los tambores de retorno. 4

Figura 8. Banda Nervada o poli V

Rodillo transportador

El sistema de rodillos funciona por medio de un motor de rotación; el cual por a través de cadenas, cintas u otro elemento transfiere esta enerǵıa a los diferentes rodillos, lo cual hace que el sistema opere de una manera eficiente haciendo rodar todos los rodillos a una misma revolución, lo cual hará giran a una misma velocidad todos los rodillos.

Figura 9. Partes del rodillo transportador

4http://dinamicademaquinariaesimecu.blogspot.mx/2015/04/tipos-de-bandas.html

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Tipos de rodillos

∗ Rodillos de Alineación. Sirven para alinear la banda dentro de la propia instalación.

∗ Rodillos de Impacto. Recubiertos de discos de goma para absorber los golpes provocados por la cáıda de bloques en las tolvas de recepción.

∗ Rodillos de Retorno. Los cuales están formados con discos de goma.

∗ Rodillo ciĺındrico. Con la superficie exterior lisa, tal como la obtenida mediante el empleo de tubos de acero; es el más empleado.

∗ Rodillo ciĺındrico con aros de goma. Son adecuados para soportar los fuertes impactos del material en las zonas de carga, mientras que, si se montan en los rodillos de retorno, deben ser adecuados para facilitar la limpieza de la banda. 5

Tambores

Los tambores están constituidos por un eje de acero, siendo el material envolvente un acero suave y los discos, ya sea de acero suave o acero moldeado. La determinación de los diámetros del tambor depende del tipo de banda empleado, el espesor de las bandas o el diámetro del cable de acero, según sea el caso; a su vez estos espesores o diámetros dependen de la tensión máxima en la banda. Por lo tanto, el diámetro exterior depende de la tensión en la banda.

Principales componentes

∗ Envolvente ciĺındrica y discos laterales, formando un solo cuerpo.

∗ Eje.

∗ Elementos de Unión.

∗ Recubrimientos.

Tipos de tambores y funciones que realizan

a) Desde el punto de vista de las funciones a desempeñar, se harán dos grandes grupos:

∗ Tambores MOTRICES, que transmiten la fuerza tangencial a la banda

∗ Tambores NO MOTRICES, los cuales realizan la función de cambio de trayectoria de la banda y las cuales pueden dividirse en ( Reenvió ,Tensores ,Desvió ,Presión)

b) Dependiendo de la magnitud de la tensión:

∗ Tambores Tipo A: Tambores motrices de alta tensión de la banda, con ángulo abrazado mayor de 30o(tambores motrices).

∗ Tambores Tipo B: Tambores en zona de baja tensión con ángulo abrazado mayor de 30o (tambores de cola).

∗ Tambores Tipo C: Tambores con ángulo abrazado menor de 30o (tambores de desvió).

Tensores de banda

Los Dispositivos de tensado cumplen las siguientes funciones:

∗ Lograr el adecuado contacto entre la banda y el tambor motriz.

∗ Evitar derrames de material en las proximidades de los puntos de carga, motivados por falta de tensión en la banda.

5http://html.rincondelvago.com/rodillos-y-cintas-transportadoras.html

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∗ Compensar las variaciones de longitud producidas en la banda, estas variaciones son debidas a cambios de tensión en la banda.

∗ Mantener la tensión adecuada en el ramal de retorno durante el arranque.

Tipos de tensores

Se clasifican en:

Por su forma constructiva:

∗ De lazo sencillo.

∗ De lazo múltiple.

Por la forma de aplicar la fuerza tensora:

∗ Automática.

∗ Fija.

Por el equipo mecánico que aplica la fuerza:

∗ Gravedad.

∗ Husillo.

∗ Cabrestante manual fijo.

∗ Cabrestante eléctrico fijo.

∗ Cabrestante eléctrico automático.

Por la situación del equipo de tensado:

∗ En cabeza.

∗ En cola.

Bastidores

Los bastidores son estructuras metálicas que constituyen el soporte de la banda transportadora y demás ele- mentos de la instalación entre el punto de alimentación y el de descarga del material. Se compone de los rodillos, ramales superiores e inferior y de la propia estructura soporte. Los bastidores son el componente más sencillo de las cintas, y su función es soportar las cargas del material, banda, rodillos y las posibles cubiertas de protección contra el viento.

Clasificación de los bastidores

∗ Bastidor formado por 2 largueros metálicos. Generalmente son perfiles de acero laminado en U. Estos perfiles se apoyan en patas que acostumbran ser del mismo perfil que los largueros, siendo la unión entre ambos ŕıgida; esta disposición constructiva es la más corriente, siendo la adecuada para el montaje de soportes de rodillos, empleada en cintas de gran anchura de banda.

∗ Bastidor tubular. Formado por tubos cuadrados o redondos, que se apoyan en patas Construidas también por tubos o por perfiles laminados.

Acoplamientos

Entre el motor eléctrico y el reductor se dispone de un acoplamiento que sirve para amortiguar las vibraciones y sobrecargas y asegurar un arranque progresivo. Existen acoplamientos de alta y baja velocidad.

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Motores

Para seleccionar el óptimo motor se toma en cuenta lo siguiente:

1. Determina el tamaño de tu cinta transportadora. La potencia nominal de un motor debe coincidir con el tamaño de la correa transportadora. Si la correa es de tamaño industrial, necesitarás un motor de alta potencia para que funcione eficientemente. Un motor de baja potencia no funcionará bien.

2. Decide el tipo de motor que usarás. Los tipos incluyen motores de CA, de CA y sin escobillas con control de velocidad y motores paso a paso. Cada uno de estos tiene diferentes especificaciones que atienden a diferentes tipos y tamaños de cintas transportadoras. El primer tipo puede ser unidireccional o bi-direccional. El segundo permite al usuario modificar la velocidad del motor con facilidad. El último puede manejar movimientos compuestos y tiene un amplio rango de capacidad.

3. Busca un motor que ofrezca muchos beneficios. ¿Consume demasiada electricidad? ¿Es accesible y sin embargo provee buena calidad? ¿Dura mucho aún si se utiliza intensivamente? La respuesta debe ser ”śı.a

las tres preguntas.

4. Elige un motor que tenga la facilidad de realizar el trabajo de manera más rápida y eficiente. Si compras un motor que no sea sencillo de operar puedes retrasar la producción y la entrega de los productos.6

Una vez determinado todo lo anterior en un catálogo Direct Industry7 se selecciona el motor adecuado.

Motorreductores

Un motorreductor se compone de un motor de cd y un gearbox.

∗ Motor de CD. El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor DC por las iniciales en inglés direct current) es una máquina que convierte enerǵıa eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción de un campo magnético.

Figura 10. Motor de CD

∗ Gearbox La caja de engranes (gearbox) es la que controla la reducción del motorreductor, sacrificando velocidad por un par de torsión más fuerte, siendo capaz de mover el mecanismo requerido, se compone por una transmisión de engranes que permite hacer la reducción.

6http://www.ehowenespanol.com/elegir-motor-impulsar-cinta-transportadora-como-63473/ 7http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/motor-62956.html

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Figura 11. Gearbox

Bluetooth

Bluetooth es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN) que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda ISM de los 2.4 GHz. Los principales objetivos que se pretenden conseguir con esta norma son:

∗ Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles.

∗ Eliminar los cables y conectores entre estos.

∗ Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la sincronización de datos entre equipos personales.

Figura 12. Icono de Bluetooth

Objetivo

Diseñar, construir y optimizar un sistema mecatrónico, que utilizando una banda transportadora junto con un mecanismo y un sistema basado en principios de visión artificial sea capaz de separar legos por sus colores (RGB) de manera eficaz.

Objetivos particulares

Diseñar y construir un prototipo de banda transportadora con un mecanismo que tenga la habilidad de separar en tres posibles lugares. Diseñar y ejecutar el sistema electrónico de la banda transportadora. Realizar un programa que logre que una cámara detecte de qué color es el lego que va por la banda transpor- tadora. Realizar un programa en python que permita al mecanismo que separara las piezas de lego, funcione acorde a las instrucciones de los programadores y de esta forma realice la tarea de forma correcta. Desarrollar una interfaz en python que permita el control y el monitoreo del sistema.

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PDS (PRODUCT DESIGN SPECIFICATION)

Elemento o factor Necesidad Demanda(D) Interpretación Requerimiento o deseo(d)

FUNCIONALIDAD Que diferencie D Detección de 3 Detección de entre 3 colores colores distintos Detección de

en escala RGB FUNCIONALIDAD Que mande D Env́ıo de Depósito en

objetos a objetos a 3 contenedores deferentes deferentes contenedores contenedores

FUNCIONALIDAD Que este D Control Código en programado programado Python en Python con Python

FUNCIONALIDAD Que el usuario D Interfaz que Interfaz en vea cuantas muestre datos tiempo real piezas van del sistema

FUNCIONALIDAD Que mande D Env́ıo de Depósito en objetos a objetos a 3 contenedores diferentes 3 diferentes contenedores contenedores

TAMAÑO Que se pueda D Dimensiones 1m X 0.5 m transportar estandarizadas

PESO Que se pueda d Peso Peso máximo transportar estandarizado 1 kg.

COSTO Que no sea d Precio factible $2000 a caro acorde a la $3000

calidad SEGURIDAD Que no lastime D Mecanismo Carcasa/cubierta

a nada y nadie aislado CALIDAD Que no deje D Que procese Tiempo de

pasar objetos la imagen en procesado corto tiempo

PROCESO DE Que sea fácil d Practicidad en Impresión 3D/

PRODUCCIÓN de producir la producción Madera PLAZO Terminarlo antes D Proceso de Entrega el 27

del 27 de producción de noviembre noviembre máximo 2 meses

VIABILIDAD Que no se D Diseño Estable destruya mecánico

estable

División por áreas

Electrónica de control y digital

Arduino uno

Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador (ATmega28p) y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. Por otro lado, Arduino nos proporciona un software consistente en un entorno de desarrollo (IDE) que imple- menta el lenguaje de programación de arduino y el bootloader ejecutado en la placa. La principal caracteŕıstica del software de programación y del lenguaje de programación es su sencillez y facilidad de uso. El Arduino UNO se utilizará como el “cerebro del sistema f́ısico”, aprovechándonos del microcontrolador que posee, la facilidad de programación que ofrece y las múltiples funciones que se le pueden dar:

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∗ Se encargará de recibir y enviar señales digitales a sensores y Drivers de Puentes H para controlar los motores.

∗ Generará señales moduladas por ancho de banda (PWM) para controlar la posición del Servomotor.

∗ Establecerá comunicación serial con el módulo bluetooth para el control general el sistema.

Figura 13.Arduino uno

Driver de puente H L298N

Un puente H te permite conmutar el sentido de la corriente. Una de las aplicaciones más comunes y la que usaremos en nuestro proyecto es con motores, ya que te permite invertir el sentido. Este módulo basado en el chip L298N te permite controlar dos motores de corriente continua o un motor paso a paso bipolar de hasta 2 amperios. El módulo cuenta con todos los componentes necesarios para funcionar sin necesidad de elementos adicionales, entre ellos diodos de protección y un regulador LM7805 que suministra 5V a la parte lógica del integrado L298N. Cuenta con jumpers de selección para habilitar cada una de las salidas del módulo (A y B). La salida A está conformada por OUT1 y OUT2 y la salida B por OUT3 y OUT4. Los pines de habilitación son ENA y ENB respectivamente.

Figura 14. Driver de puente H L298N.

Módulo Bluetooth HC-05

Este módulo basa su funcionamiento en la tecnoloǵıa de comunicación inalámbrica entre 2 dispositivos de corto alcance, comunicándose con el dispositivo en el que se encuentra mediante el puerto serial. En este sistema se utilizará con el fin de establecer comunicación con la computadora para notificar cuando

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hay un objeto en la banda, encender y apagar motores y enviar y recibir datos que ayudarán al control del mecanismo clasificador de piezas.

Figura 15. Módulo Bluetooth HC-05

Sensores/Actuadores

Motorreductor 22cl-3501pg

El motorreductor nos servirá para mover la banda a una velocidad controlada, a partir un PWM que podemos generar con la salida del microcontrolador. Un motorreductor se compone de un motor de cd y un gearbox. Para este proyecto, se consideraron como factores esenciales la reducción, velocidad, torque, precio y voltaje de alimentación del motorreductor. A mayor torque, velocidad moderada y consumo de enerǵıa mı́nimo posible, seŕıa mejor el motor. Se eligió el motorreductor Namiki 22cl-3501pg, de cual se muestran las especificaciones a continuación.

Figura 16. Motorreductor Namiki 22c1-3501pg

Especificaciones:

∗ Marca: Namiki Japan Co.

∗ Modelo: 22cl-3501pg.

∗ Voltaje de alimentación: 12 VDC.

∗ Relación de reducción: 80:1

∗ RPM(Después de la reducción): 120 RPM@12VDC

∗ Torque continuo: 5 Kg.cm

∗ Corriente stall: 1,8 A

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∗ Peso: 140 g.

Servomotor MG995

Un servomotor es un tipo de servomecanismo, y un servomecanismo es un dispositivo que tiene un sistema de corrección con retroalimentación para el control de un parámetro espećıfico. Este tipo de motor nos servirá para cambiar de posición el mecanismo que tenemos pensado para la colocación de legos en su respectivo lugar. Debido a su engranaje metálico, sus dimensiones reducidas y su gran torque, se eligió el Servomotor TowerPro MG995.

Figura 17. Servomotor MG995

Especificaciones:

∗ Marca: TowerPro

∗ Modelo: MG995

∗ Voltaje de alimentación: 3-7.2 VDC

∗ Torque de operación: 15 Kg.cm

∗ Velocidad: 53-62 RPM

∗ Angulo ĺımite: 180 grados

∗ Corriente de operación: 100 mA

∗ Peso: 55 g.

Sensor Sharp 340k

El sensor digital GP2Y0D340K fabricado por Sharp, basado en infrarrojo, mandará un estado lógico al Sistema de Control Digital para saber cuando una pieza se encuentra en la banda.

Figura 18. Sensor Sharp 340k

Se eligió debido a su gran alcance, su facilidad de conexión y cableado, su facilidad de programación y su costo. A continuación se muestran sus especificaciones y diagrama de conexión:

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∗ Marca: Sharp.

∗ Modelo: GP2Y0D340K.

∗ Voltaje de alimentación (recomendado): 4.5-5.5 VDC.

∗ Voltaje de salida: -0.3-VCC+0.3 VDC.

Figura 19. Diagrama de conexión del Sensor Sharp 340k

Parte mecánica

Mecanismo Biela-Manivela-Corredera

Para la colocación de los legos de colores utilizaremos un mecanismo de Biela-Manivela-Corredera donde nues- tro eslabón de entrada, es decir, donde colocaremos el servo motor será la manivela (R2) y en la corredera se encontrara una caja con tres divisiones en donde caerán los legos de colores (RGB) en su lugar correspondiente.

Figura 20. Mecanismo Biela-Manivela-Corredera

La ecuación con la que se resuelve la posición de nuestro mecanismo es:

R2cos(θ) +R3cos(β) −Bx = 0

Donde Bx es la posición de la corredera. Para nuestro objetivo son importantes tres de sus posiciones: la de mayor alcance, la de menor y la intermedia que son en las que se encontraran los espacios para depositar las piezas de lego. Las tres posiciones importantes son:

∗ Cuando θ = 0o

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Figura 21. Mecanismo Biela-Manivela-Corredera con θ = 0o

∗ Cuando θ = 90o

Figura 22.Mecanismo Biela-Manivela-Corredera con θ = 90o

∗ Cuando θ = 180o

Figura 23. Mecanismo Biela-Manivela-Corredera con θ = 180o

Estas posiciones pueden ser alcanzadas con un servomotor, que será colocado en nuestro eslabón de salida R2.

Transmisión por bandas (Transporte de las piezas)

Tomando en cuenta la información investigada, factores económicos y de funcionalidad, se eligieron las siguientes opciones:

∗ Banda plana ya que Ofrecen flexibilidad, absorción de vibraciones, transmisión eficiente de potencia a altas velocidades, resistencia a atmosferas abrasivas y costo comparativamente bajo. Estas pueden ser operadas

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en poleas relativamente pequeñas y pueden ser empalmados o conectados para funcionamiento sinf́ın.

Figura 24. Banda transportadora

∗ Rodillo ciĺındrico con la superficie exterior lisa, tal como la obtenida mediante el empleo de tubos de acero o aluminio; es el más empleado.

∗ Transmisión de potencia motorreductor-banda mediante engranajes, ya que garantizan un contacto eficaz, si necesidad de tensar como los mecanismos de poleas.

Figura 25. Sistema de transmisión de potencia (Engranes)

Visión Artificial

Debido a que el procesamiento y adquisición de datos se programarán en Python, solo queda la elección de la cámara a utilizar. Por economı́a y calidad de imagen, se utilizará la cámara del celular con sistema operativo An- droid; aprovechando el anclaje USB que este nos ofrece. Se realizará con la ayuda de la aplicación DroidCam.apk

Figura 26. Logo DroidCam

De igual forma, se utilizará la biblioteca libre Opencv para Python. Esta biblioteca se especializa en Visión Artificial y provee de funciones y métodos para optimizar el procesamiento de imágenes. Algunos ejemplos de sus aplicaciones son: Tratamiento de imágenes, reconocimiento facial, reconocimiento de colores, seguimiento de objetos, etc.

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Figura 27. Logo OpenCV

Softwares

Entorno de Desarrollo Integrado (IDE) de Arduino

Debido a que se utilizará un Arduino UNO para el control digital del sistema, será necesario un entorno para programar sus entradas y salidas digitales, aśı como las salidas que generarán señales moduladas para el servo- motor y comunicaciones con el módulo Bluetooth. Esta programación está basada en C++ y es muy simple.

Figura 28. Software de Arduino

Python

El código principal se realizará en este idioma de programación debido a que es un requisito para el proyecto. En él se realizará una Interfaz Gráfica (GUI) y se establecerá comunicación por puertos seriales para establecer conexiones bluetooth, de igual forma, se utilizarán hilos para optimizar los tiempos del programa.

Figura 29. Logo Python

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Elección del diseño conceptual

Una vez seleccionado de manera muy general los componentes a utilizar, se prosiguió a realizar un boceto de los componentes aśı como de su ensamble.

COMPONENTE DISEÑO

Rodillos Figura 30. Rodillo 1.

Figura 31. Rodillo 2.

Base Figura 32. Base de madera donde se montará.

Cajas Figura 33. Cajas donde se depositan los LEGOS.

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Baleros Figura 34. Balero

Engrane Figura 35. Engrane

Biela Figura 36. Biela

Manivela Figura 37. Manivela

El boceto con todos los componentes seŕıa el siguiente:

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Figura 38. Ensamblaje del diseño

Piezas elegidas

Figura 39. Rodamientos(Baleros)

Figura 40. Rodillos

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Figura 41. Base de madera

Figura 42. Base de madera(1)

Figura 43. Base de madera(2)

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Figura 44. Base de madera(3)

Figura 45. Base de madera(4)

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Figura 46. Banda transportadora

Figura 47. Mecanismo Biela-Manivela-Corredera

Figura 48. Engranes

Figura 49. Motor para la banda

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