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FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Ingeniería Mecatrónica
Automatización De Procesos de Manufactura Análisis Axiomático – Robot MotoMan
ANÁLISIS AXIOMÁTICO ROBOT MOTOMAN
JUAN DAVID OBANDO ORTIZ
[email protected];
I. INTRODUCCIÓN
Este trabajo es llevado a cabo en el Laboratorio Sala CAM - LabFabEx de la
Universidad Nacional de Colombia, el cual tiene a su disposición diversas máquinas
de nivel industrial y académico, así como algunas herramientas de software de gran
utilidad en el desarrollo de los requerimientos de la actividad. Para el desarrollo de
esta investigación se hace uso de un sistema robótico compuesto por el robot
Yaskawa Motoman MH6, incluyendo dos ejes externos: guía lineal y posicionador
rotacional, sobre el cual está montado un Gripper de Vacío (Vacuum Gripper). La
figura 1 presenta los elementos que conforman el sistema mencionado.
Adicionalmente, se presenta una descripción de las articulaciones y ejes cartesianos
del sistema.
Figura 1: Sistema Robótico YASKAWA MOTOMAN MH6, sobre la guía lineal, y el posicionador rotacional sobre el cual está montado el Vacuum Gripper
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Adicionalmente, se dispone de una red de comunicación para realizar teleoperación
de las diferentes máquinas a través de Internet. Específicamente en lo
correspondiente al controlador ( DX100 ) del robot se ha configurado un esquema de
red que se presenta en la Figura 2. En ´este se incluye un servidor web que
proporciona el acceso de forma remota a la plataforma del laboratorio, y que
transmite a su vez la información enviada por el usuario hacia un PC dedicado al
robot que finalmente comanda la operación de la máquina. Lo anterior facilita la
inclusión de la plataforma obtenida mediante ROS para comunicarse con el
controlador del robot a través de Ethernet de una conexión inalámbrica en el
laboratorio.
Figura 2: Esquema de Configuración Inicial del Sistema
II. ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA - ROBOT MOTOMAN
El robot Motoman MH6 es un manipulador serial [Klimchik et al., 2016] de tipo
industrial que cuenta con seis articulaciones rotacionales (6 DOF). Este ha sido
dispuesto para aplicaciones de propósito general, y sus especificaciones son
registradas en la Tabla 1. Igualmente, el rango de movimiento para cada una de
las articulaciones del robot define su espacio de trabajo alcanzable de acuerdo con
la Figura 3
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Figura 3: Espacio de Trabajo alcanzable del Robot MotoMan
Este elemento ha sido diseñado y fabricado como parte de algunos proyectos
académicos de investigación realizados previamente, y en los cuales se han
establecido las especificaciones funcionales requeridas, tal como se encuentran
relacionadas en la Tabla 3.
Rango de Movimiento ±360°
Velocidad Máxima 1.2 rad/s
Carga Axial Máxima 2500 N
Carga Radial Máxima 1500 N
Tabla 3: Especificaciones del Posicionador Rotacional.
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Modelo de Comunicación PC – Controlador
Como herramienta de software para el desarrollo de las aplicaciones en el robot
MotoMan, se hace uso de ROS junto con ROS-I, para llevar a cabo la comunicación
entre PC y Controlador DX100 a través de Ethernet. Esto facilita que un nodo de
ROS pueda comandar los movimientos del sistema Robótico a la vez que recibe
información acerca de la posición actual de cada articulación y las señales de estado
correspondientes. Debido a que el sistema Robótico utilizado presenta una
configuración que no ha sido abordada previamente a través de ROS, el objetivo
de alcanzar una comunicación satisfactoria entre este y el controlador (cuando se
incluyen los ejes externos), conlleva a una etapa exhaustiva para establecer solución
a las incompatibilidades surgidas en la interacción del modelo virtual y el real.
Específicamente, ya que no se dispone de ningún tipo de documentación que
permita abordar el problema de comunicación, la depuración de cada falla
evidenciada se hace a partir de exploración experimental hasta obtener el resultado
deseado. Finalmente se hace necesario efectuar modificaciones en el código fuente
tanto de la aplicación MotoROS creada por Yaskawa y la cual se ejecuta de fondo
en el controlador, así como del controlador de Motoman para ROS desarrollado
por ROS-I.
MotoROS es una aplicación creada mediante el software de desarrollo de Motoman,
MotoPlus SDK. Por lo tanto, para poder instalarla en el controlador DX100 del
robot, se requiere que este sea compatible con archivos de MotoPlus. Para ello la
versión de sistema del equipo debe ser DS3.91.00-14 o superior. Debido a que
inicialmente la versión del controlador corresponde a DS1.58.00A-00 , se hace
necesario llevar a cabo una actualización hacia la versión DS3.97.00A-14 que es
compatible con MotoPlus, aunque esta no se encuentra habilitada por defecto.
III. DESARROLLO DE VMD DEL MOTOMAN
Se plantea inicialmente realizar el modelo únicamente con los seis ejes del brazo,
obteniendo un entorno virtual VMD que permita la interacción con dichos ejes. De
igual manera se incluyen modelos 3D para efectos visuales y de colisión: el primero
es usado solamente para presentación en la interfaz gráfica; y debido a que no
interviene en la validación de colisiones, éste puede ser altamente detallado. Por su
parte, el segundo conjunto de modelos no debe incluir gran nivel de detalle, pues a
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Debido a las pruebas experimentales de movimiento realizadas, y aunque los
rangos para cada articulación han sido definidos de acuerdo con la Tabla 1 , se
evidencia que los ejes U y B pueden presentar interferencia mecánica con
accesorios ubicados en el robot, por lo cual los correspondientes límites son
entonces redefinidos de acuerdo con la Tabla 4.
Rango Máximo de
Movimiento
Eje – S ±170° Eje – L ±155° / -90° Eje – U ±130° / -175° Eje – R ±180° Eje – B ±187 / - Eje - T ±360° Tabla 4: Límites de Movimientos para cada uno de los ejes o DOF del robot virtual.
IV. Diseño Axiomático del Dispositivo
El Robot MotoMan cuenta con cuatro subsistemas, los cuales deben integrarse y
interrelacionarse entre sí para conseguir su correcto funcionamiento. Se debe tener
en cuenta que la principal función del robot es la sujeción y manipulación de
elementos que permita realizar procesos de manufactura integrada con otros
dispositivos y sistemas presentes en el LabFabEx, y se controla desde la interfaz
gráfica de un computador. Por lo tanto, se descompone la función principal en
varias funciones específicas que cumplan con la general. A esta serie de pasos se les
conoce como requerimientos funcionales (FR).
FR0 = Manipulación y sujeción de elementos de distinta geometría para ser
integrados en distintos procesos de manufactura. A partir de la función principal
se deducen funciones más específicas, para que éstas en conjunto cumplan con la
función original; y esto también requiere descomponer los parámetros de diseño
(DP), con tal de que formen el producto original al unirlos.
DP0 = Robot Motoman
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La alternativa más adecuada para descomponer los requerimientos funcionales y
los parámetros de diseño es aquella que consiste en identificar y seleccionar cada
subsistema del MotoMan como parámetro de diseño, y el requerimiento funcional
esperado por éste. Dado que el MotoMan cuenta con cuatro subsistemas, los FRs
y los DPs se descomponen en cuatro partes.
FR1 = Energización y alimentación del MotoMan
DP1 = Subsistema eléctrico del MotoMan
FR2 = Movimiento de cada uno de los grados de libertad del Motoman
DP2 = Subsistema mecánico del MotoMan
FR3 = Empleo de componentes electrónicos y sensores al MotoMan
DP3 = Subsistema de control del MotoMan
FR4 = Manejo de interfaz gráfica desde el ordenador.
DP4 = Subsistema de software del MotoMan
Cabe resaltar que algunas de los requerimientos funcionales requieren de
parámetros de diseño adicionales al previamente establecido, según la dependencia
o la relación complementaria entre el parámetro de diseño y el requerimiento
funcional en cuestión. De esta forma, se establecen las siguientes matrices de
incidencia y se establece si éstas se hallan acopladas, desacopladas o semiacopladas.
El subsistema eléctrico es primordial para el funcionamiento de cada subsistema
del MotoMan, por lo tanto, se requiere como parámetro de diseño para la operación
de todo el dispositivo. De igual forma, se considera vital el subsistema mecánico
que conforma el MotoMan, ya que éste permite el movimiento de cada uno de los
grados de libertad de la articulación robótica, empleando la transformación de
energía eléctrica a mecánica, mediante el uso de los servomotores con los que cuenta
la máquina. El subsistema de interfaz gráfica requiere de los anteriores subsistemas,
además de el de control, ya que la interconexión entre sensores y controladores
debe detectarse desde la interfaz para indicar una correcta operación del MotoMan.
