Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 2 (2): 71-79 Abril-Junio 2019 https://doi.org/10.37636/recit.v227179
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ISSN: 2594-1925
Tarjeta para controlar 3 grados de libertad
de robots vía wifi
Card to control 3 degrees of freedom of robots via wifi
Moya Mora José de Jesús, Vergara Limón Sergio , Reyes Cortes José Fernando
Facultad de Ciencias de la Electrónica, Maestría en Ciencias de la Electrónica opción Automatización,
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Av. San Claudio y 18 Sur S/N C.U.
Edif. 109A Col. Jardines de San Manuel, C.P. 72570, Puebla, Pue. México.
Autor de correspondencia: José de Jesús Moya Mora, Facultad de Ciencias de la Electrónica, Maestría en
Ciencias de la Electrónica opción Automatización, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Av. San
Claudio y 18 Sur S/N C.U. Edif. 109A Col. Jardines de San Manuel, C.P. 72570, Puebla, Pue. México. E-mail:
moyamora@me.com
Recibido: 01 de Julio del 2018 Aceptado: 05 de Noviembre del 2018 Publicado: 10 de Mayo del 2019
Resumen. - El presente trabajo describe el desarrollo de un sistema para controlar un robot de tres
grados de libertad utilizando un sistema embebido, la transferencia de información se realiza
mediante el protocolo de comunicación WIFI. El robot que se utiliza es el tipo cartesiano. Se hace
una descripción del diseño mecánico del robot, así como la obtención del modelo cinemático y
dinámico. Se detalla el diseño de un sistema de adquisición, desarrollando un sistema embebido
basado en FPGA de la marca altera de la familia Cyclone III el cual cuenta con un controlador
interno, así como la interpretación del manejo de las señales del robot y comunicación WIFI, se
explica el desarrollo del firmware que realiza el control y como se establece la comunicación. El
controlador seleccionado es el de tangente hiperbólica. Dicho controlador es implementado en el
firmware con el fin de controlar y analizar el comportamiento del sistema.
Palabras clave: FPGA; Protocolo de Comunicación WIFI; Control Tangente Hiperbólico.
Abstract. - The present work describes the development of a control system for a three D.O.F
Cartesian robot using an embedded system where the information transfer is done by the WIFI
communication protocol. A description of the mechanical design of the robot is given, as well as the
kinematic and dynamic model. It details the design of an acquisition system, developed in FPGA based
embedded system of the Altera Cyclone III family, and also the interpretation of the robot signal
handling and WIFI communication. In addition, it shows the development of the firmware responsible
of the control and communication. Regarding the control, a hyperbolic tangent controller is selected
for preliminary results and with these, the Cartesian robot can be analyzed and regulated.
Keywords: FPGA; WIFI Communication Protocol; Hyperbolic Tangent Control.
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1. Introducción
La instrumentación es una disciplina de alto
impacto en diferentes aplicaciones, tales como la
física, el control, por mencionar algunas. Es el
control una disciplina que a su vez interviene en
un sin fin de aplicaciones, como la robótica;
Entonces se presenta que diferentes disciplinas
interactúan de diferentes maneras para lograr un
mismo fin. [1]
El desarrollo tecnológico o diseño de
dispositivos que como en este trabajo se abordará
el diseño de una tarjeta de adquisición de datos y
control es de una gran complejidad, y prueba de
ello es que este tipo de desarrollo es realizado por
compañías transnacionales, por lo que el
desarrollo tecnológico en países como México es
limitado, puesto que partir de una idea o una
función determinada que se quiera que realice el
dispositivo a diseñar hasta obtener un primer
prototipo es una tarea bastante compleja a
realizar, debido a que en ciertas áreas de la
ciencia la bibliografía o referencias
especializadas en determinados temas es amplia
y en ocasiones bastante rebuscada de manera que
no cualquier lector podría deducir como es que
funciona algún tema en específico que desee leer,
comprender e interpretar, en el caso de
desarrollos tecnológicos el acceso a bibliografía
o referencias es limitada, debido a que esta
información es generada por compañías las
cuales comercializan estos desarrollos y que
invirtieron en recursos humanos e infraestructura
para poder generar estos diseños, es por ello que
solo es público un manual de uso o guía de
usuario para poder utilizar sus diseños
comercializados, pero nunca habrá información
que permita a terceras personas realizar un
producto similar o basado en su diseño.
Se aborda la problemática de diseño de un
sistema de adquisición de datos y control para un
robot cartesiano de tres grados de libertad, se
analizan las señales que interactúan en el sistema
de control del robot, de esta forma se seleccionó
los dispositivos electrónicos adecuados para el
tratamiento y emisión de estos, además del
firmware necesario para el tratamiento,
decodificación y emisión de las señales
necesarias en el sistema de control. El diseño de
tarjetas de adquisición de datos y control tiene
una amplia complejidad, por lo que en su
mayoría son desarrollados por compañías
transnacionales en las cuales un equipo
multidisciplinario realiza los diseños, por esta
razón el desarrollar diseños de tarjetas de
adquisición de datos en el país permite crear
dispositivos que satisfagan las necesidades y
técnicas para una aplicación de control, por ello
esta tarjeta es de arquitectura abierta y con una
comunicación inalámbrica con la PC, lo cual
permite la transmisión de datos vía wifi. La
creación de una pantalla de usuario utilizando
LabView permite la combinación de
procesamiento de la PC con la tarjeta diseñada.
La tecnología avanza a grandes pasos, por lo que
la investigación de dispositivos de última
generación se vuelve de vital importancia, es por
ello que se presenta la investigación de
instrumentación de dispositivos en los FPGA de
ALTERA de última generación.
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Figura 1. Diagrama general del sistema embebido.
2. Metodología
1.1. Diagrama general del sistema embebido
El sistema embebido desarrollado le permitirá al
usuario manipular el robot como el desee
mediante un monitoreo de manera inalámbrica
vía WIFI. El sistema en general está compuesto
por hardware, firmware y software los cuales se
describirán a continuación.
Del diagrama anterior, el elemento a monitorear
es la articulación del robot, se obtienen los
valores correspondientes a la posición actual y
par aplicado, en base al tiempo y a la posición
deseada, se calcula el error de posición a lo largo
del funcionamiento del sistema. Estos datos son
leídos a través de la FPGA y son enviados a un
módulo WIFI mediante el protocolo UART de
sus siglas en inglés Universal Asynchronous
Receiver Transmitter.
El módulo WIFI es el RN-XV, este dispositivo
realizará la tarea de conversión de WIFI a serial
y de serial a WIFI. Esta comunicación es bastante
atractiva para el usuario ya que se hace
compatible con computadoras de escritorio o
computadoras portátiles de manera inalámbrica.
[2]
La interfaz de usuario se realizará mediante la
ayuda del software labview en la cual el usuario
tendrá el control del sistema, El sistema tendrá la
tarea de interpretar los datos del encoder,
inicializar el algoritmo de control, transmitir la
posición actual y par aplicado.
La ventaja de este sistema, es que, el algoritmo
de control se encuentra dentro de la FPGA
mediante firmware, aumentando el tiempo de
ejecución del algoritmo de control tomando así
datos en tiempo real, puesto que es un hardware
dedicado a realizar esa tarea específica.
2.1. Diseño del robot cartesiano
Para poder realizar un control apropiado para
nuestro robot, es necesario tener en cuenta el
modelo dinámico del mismo, esto nos servirá
para analizar su comportamiento, al utilizar
diferentes algoritmos de control y de esta manera
poder utilizar el presente un mejor desempeño.
El modelo dinámico de nuestro robot, se emplea
la metodología de Euler-Lagrange, la cual está
ampliamente documentada.
Para ello se muestra la representación geométrica
del robot cartesiano de 3 grados de libertad, la
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cual nos ayuda a visualizar el comportamiento
del manipulador.
Figura 2. Representación del robot cartesiano de 3 grados de libertad.
Por lo tanto, el modelo dinámico cartesiano está dado por:
En nuestro caso no se cuenta con la matriz de
fuerzas centrípetas y de Coriolis, ya que es igual
a cero, con respecto a la matriz de inercia
cartesiana nosotros contamos con una matriz de
masas, mencionada con anterioridad.
Se presenta el robot cartesiano integrado
completamente.
Figura 3. Representación del robot cartesiano de 3 grados de libertad.
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2.3 Diseño de la interfaz gráfica para
manipular el robot cartesiano de 3 grados de
libertad.
Se hará́ una descripción concreta del software de
control de posición, el cual se realizó́ con el
programa de LabView, que es una herramienta
que nos permite tener acceso de forma sencilla al
protocolo de comunicación WIFI,
permitiéndonos visualizar los datos que se
escriben desde la computadora hasta la tarjeta de
adquisición de datos.
Figura 4. Representación del robot cartesiano de 3 grados de libertad.
En esta pantalla nosotros podemos visualizar las
posiciones deseadas, la ganancia proporcional y
derivativa, para cada eje.
Desde esta interfaz podemos inicializar nuestro
sistema, cargar un archivo de texto “.txt”, el cual
cuenta con el algoritmo de control necesario para
poder tener una manipulación de nuestro robot de
forma óptima, nos permite ingresar la posición
deseada, en la cual nuestro robot llegara a esta
posición de forma precisa, la precisión de llegar
al punto deseado varía dependiendo de la ley de
control que se le aplique al robo.
3. Resultados
Se realizó la caracterización de los motores de dc,
para convertirlos en pseudo-servomotores de
transmisión directa. Siguiendo la siguiente
metodología, primero se determina el voltaje
nominal de cada motor, en nuestro caso fue de
12v; Después se hace la búsqueda de ña
frecuencia de trabajo de cada motor, la cual nos
proporciona la mitad del torque máximo con un
ciclo de trabajo de 50%, una vez localizada esta
frecuencia se hace un barrido cambiando el
porcentaje de ciclo de trabajo para poder analizar
su comportamiento, que tiene que ser muy
cercano al lineal. De este proceso se obtuvieron
los siguientes resultados:
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Tabla 1. Datos adquiridos del primer motor a una frecuencia de 2.45Khz.
% Ciclo de trabajo del
PWM
Torque (Nm)
0
0
10
2.8616
12
3.9494
14
16
18
20
22
24
28
34
36
4.3708
5.2528
5.9976
6.4288
7.595
8.1144
9.555
10.8192
12.348
Figura 5. Gráfica de resultados del primer motor, se puede observar la linealidad del motor.
Se caracterizó hasta el 36% del ciclo de trabajo,
ya que el servomotor nos proporciona el torque
necesario para nuestra aplicación.
Para el segundo motor se obtuvieron los
siguientes resultados a una frecuencia de 2.
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Tabla 2. Datos adquiridos del segundo motor a una frecuencia de 2.5Khz.
%Ciclo de trabajo del PWM
0
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
31
33
36
Finalmente, para el tercer motor se encontró que
la mejor frecuencia de trabajo fue de 75Hz,
obteniendo los siguientes resultados:
Figura 6. Grafica de resultados del segundo motor, se puede observar la linealidad del motor.
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Tabla 3. Datos adquiridos del tercer motor.
%Ciclo de trabajo del PWM
Torque (Nm)
0
0
10
0.0616077
20
0.3435096
30
0.6571488
40
0.840105
50
1.250823
60
1.437513
70
1.8930366
80
2.072259
90
2.5688544
Figura 7. Grafica de resultados del tercer motor, se puede observar la linealidad del motor.
4. Conclusiones
A diferencia de los robots cartesianos
comerciales, este manipulador utiliza una
comunicación inalámbrica como interfaz, por
medio de una tarjeta de adquisición de datos, la
cual es una FPGA. Esto le proporciona grandes
beneficios como velocidad de procesamiento de
100MHz, arquitectura abierta por mencionar
algunos, en comparación con algunos sistemas
empotrados como Arduino mega que maneja una
velocidad de reloj de 16MHz. Además, la
programación en FPGA es muy versátil y nos
permite realizar varios procesos de control en
tiempo real, que es muy importante para
cualquier aplicación.
Al emplear el software de labview, nuestro
programa fue más sencillo de realizar mediante
el protocolo de comunicación Wifi, sin embargo,
cabe destacar que hay que tener cuidado con las
direcciones que se ocupan y la información que
se envían porque podemos causar problemas con
el sistema. Este programa nos permite modificar
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de manera sencilla el algoritmo de control y
visualizar los datos que deseemos monitorear.
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