AUTORAS: JOHANNA IZA GABRIELA TACO TUTOR: ING. OSCAR ARTEAGA
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- Alfredo Segura Gutiérrez
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1 INVESTIGACIÓN DE LA MANIOBRABILIDAD DE UNA PLATAFORMA ROBÓTICA CON SISTEMA DE TRACCIÓN OMNIDIRECCIONAL E IMPLEMENTACIÓN EN EL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN TELE OPERACIÓN BILATERAL CORPORATIVO DE MÚLTIPLES MANIPULADORES MÓVILES APROBADO POR EL CONSORCIO ECUATORIANO PARA EL DESARROLLO DE INTERNET AVANZADO CEDIA AUTORAS: TUTOR: ING. OSCAR ARTEAGA JOHANNA IZA GABRIELA TACO
2 Objetivos Objetivo General Investigar la maniobrabilidad de una plataforma robótica con sistema de tracción omnidireccional para su implementación en el proyecto de investigación tele operación bilateral corporativo de múltiples manipuladores móviles aprobado por el consorcio ecuatoriano para el desarrollo de internet avanzado CEDIA. Objetivos Específicos Diseñar e implementar el sistema de tracción omnidireccional para la plataforma robótica, mediante el uso de ruedas omnidireccionales. Implementar los sistemas de potencia y de control. Calibrar, ajustar y realizar pruebas del sistema de movimiento omnidireccional. Comprobar la maniobrabilidad de la plataforma omnidireccional.
3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE TRACCIÓN OMNIDIRECCIONAL Parámetros de diseño Velocidad requerida = 0.60 m/s m diseño : masa de diseño = 100 kg W diseño : peso de diseño = 981 N W p : peso plataforma = 32 kg
4 Cargas de Diseño Factor de carga Porcentaje de imprevistos el 10%. Comprobación para el peso de diseño W C = W b + W gr + W l + W sf W C = 12kg W TOTAL = W p + W c W TOTAL = 44kg W d = W T + W c f carga W d = 442N Fuerza de rozamiento estática y dinámica F rs = μ s W diseño = 981 N F rk = μ k W diseño = N
5 Cargas de Diseño Torque total T = F rk ø llanta 2 T rueda = T 4 = Nm 4 T = 79,75 Nm = Nm Potencia requerida P = T rueda ω requerida ω requerida = 5.91 rad/s P = W = 0.16 HP Cálculo del diámetro de la llanta ø req = 2 V requerida ω motor ø req = m/s 2.92 rad/s = 0.41 m
6 Diseño del sistema de transmisión Potencia transmitida P transmitida = T motor ω motor P transmitida = 44.2 N m 2.92 rad Potencia de diseño P d = P transmitida FS P d = hp 1 = hp s = 130 W Relación de transmisión i = ø req ø llanta i = 0.41 m m = Selección del tipo de cadena, piñón y Catarina Para una potencia transmitida de 0.174hp y una velocidad del piñón de 30rpm se tiene la opción de elegir una cadena RS35 de una o dos hileras. Para cadena RS35-2 a 50 rpm P d = 0.16 hp 1.7 = hp
7 Diseño del sistema de transmisión Cálculo del número de dientes de la catarina i = Z 2 Z 1 Z 2 = i Z 1 = 22 dientes Para cadena RS35-2, p = 3/8 in se tienen los siguientes valores Z 1 = 11 dientes ø p1 = in = mm ø ext1 = in = mm Z 2 = 11 dientes ø p2 = in = mm ø ext2 = in = mm
8 Velocidad angular de la Plataforma = R 4 1 b+d + 2 b+d 3 b+d + 4 b+d R = m b = 0.255m d = 0.17m max rueda = 5.84 rad s = rad s
9 Diseño del eje de la rueda Material: Aluminio 2024-T4 S y = 324 MPa S u = 469 MPa F s = 2.5 D B = M B = M Bmax 2 + M Bmin 2 M B = Nm 32 F s π S y M B T D B = m = mm
10 Nombre Tipo Mín. Máx. Tensiones VON: Tensión de N/m^ e+008 N/m^2 1 von Mises Nodo: Nodo: Nombre Tipo Mín. Máx. Tensión de Factor de e+006 cortadura máx. seguridad1 Nodo: Nodo: (Tresca) Esfuerzos resultantes de tensiones (Von Mises) en el Factor de seguridad mínimo en el eje de la rueda eje de la rueda
11 Diseño del eje del motor Aluminio 7075-T6 S y = 503 MPa S u = 572 MPa F s = 2.5 D B = M B = Nm 32 F s π S y M B T2 D B = m = 12.7 mm
12 Nombre Tipo Mín. Máx. Tensiones VON: Tensión de N/m^ e+008 N/m^2 1 von Mises Nodo: Nodo: Nombre Tipo Mín. Máx. Factor de Tensión de cortadura e+007 seguridad1 máx. (Tresca) Nodo: Nodo: Esfuerzos resultantes de tensiones (Von Mises) en el eje del motor Factor de seguridad mínimo en el eje del motor
13 Estructura base Referencia de modelo Propiedades Nombr e Tension es1 Tipo Mín. Máx. VON: Tensión de von Mises N/m^2 Nodo: e+007 N/m^2 Nodo: Nombre Tipo Mín. Máx. Factor de seguridad 1 Tensión de von Mises máx Nodo: Nodo: Material: Aluminio 6063-T5 Criterio de Tensión de von error: Mises Límite 1.45e+008 N/m^2 elástico: Límite de 1.85e+008 N/m^2 tracción: Módulo 6.9e+010 N/m^2 elástico: Esfuerzos resultantes de tensiones (Von Mises) en la estructura base Factor de seguridad mínimo para la estructura base
14 Selección de componentes eléctricos y de control Actuador: Dynamixel Pro h Sensores: Tacómetro, encoder, sensor de temperatura Elementos de Control: EGLOBAL Fanless mini Pc i7 Elementos de transmisión: USB2Dynamixel Adapter Dispositivos de Entrada: Baterías ZIPPY Compact 5800mAh 7S
15 Diseño y construcción de los sistemas de control y potencia para la plataforma omnidireccional Sistema de potencia Sistema de control
16 Construcción e implementación del sistema de potencia y de control
17 PRUEBAS Y RESULTADOS Pruebas de funcionamiento Se realizaron pruebas en tres tipos de pisos, concreto pulido, cemento y mármol ERROR PORCENTUAL Piso Concreto Pulido Mármol Concreto Carga (kg) VERTICAL HORIZNTAL DIAGONAL 0 7,48 7,36 4,80 4,96 3,43 4,64 8,64 7,23 4,24 0 9,28 7,29 5,60 4,16 9,24 4,16 2,40 11,93 3,12 0 1,18 1,11 0,69 0,56 1,53 0,56 1,68 9,93 0, ,20 8,17 4,00 4,00 3,23 2,80 10,24 6,29 3, ,28 7,03 5,52 3,92 7,90 4,00 7,20 9,24 4, ,29 2,05 1,68 2,66 1,01 1,68 0,18 3,16 0, ,92 6,89 3,20 6,24 5,71 2,60 6,40 6,22 3, ,60 7,23 4,80 5,12 7,23 3,04 10,32 8,57 2, ,80 0,90 2,42 3,28 0,38 2,18 1,68 0,07 1, ,56 7,26 2,88 5,64 4,67 2,48 7,08 8,00 2, ,88 6,55 4,80 4,32 7,56 1,84 7,68 11,26 1, ,44 0,55 2,92 4,40 0,90 2,92 0,44 11,22 1, ,20 7,60 3,20 7,60 6,05 2,00 8,84 8,00 1, ,40 8,24 4,00 6,00 6,22 0,80 7,84 7,23 1, ,92 1,08 2,92 0,80 0,55 3,29 0,68 0,38 2,92
18 VELOCIDAD (M/S) VELOCIDAD (M/S) VELOCIDAD (M/S) Velocidad asignada vs Velocidad real en movimiento vertical Movimiento Vertical Piso: Concreto Movimiento Vertical Piso: Mármol 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, PESO(KG) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, PESO(KG) Velocidad(m/s) Velocidad real (m/s) Velocidad(m/s) Velocidad real (m/s) Movimiento Vertical Piso: Concreto pulido 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, PESO(KG) Velocidad(m/s) Velocidad real (m/s)
19 Pruebas de velocidad angular de la plataforma VELODCIDAD ANGULAR DE LA PLATAFORMA () Velocidad asignada Velocidad real Tiempo (s) (rad/s) (rad/s) Error (%) , , , , , , , ,24
20 Velocidad (m/s) Distancia recorrida (m) N de obstáculos Distancia de separación (m) Tiempo de ejecución (s) Movimientos combinados Pruebas de maniobrabilidad MANIOBRABILIDAD EN PISTA DE OBSTÁCULOS Vertical, lateral, diagonal y rotacional Vertical, lateral, diagonal y rotacional
21 Pruebas de trayectoria
22 Análisis Económico del proyecto No. DETALLE VALOR TOTAL 1 Sistema eléctrico y de control (resistencias, borneras, baquelas, potenciómetros, reguladores, leds, capacitadores, Baterías Lipo, zócalos) 309,32 2 Sistema Mecánico (Juego de llantas omnidireccionales, chumaceras de pared y piso, perfiles de aluminio, catarinas de 11 y 22 dientes, ejes de aluminio aleado, cadena RS35-2) Herramientas y materiales varios 90 4 Diseño e implementación plataforma Diseño e implementación Placas control, baterías y motores 130 TOTAL 1700,32
23 CONCLUSIONES El sistema de transmisión del movimiento por cadenas cumplió con los requerimientos especificados en el capítulo II, no presentó inconvenientes durante la puesta en marcha de la plataforma, además, para la velocidad máxima a la cual se desplaza la plataforma no produce ruido considerable por lo que se considera una elección adecuada. Fue posible verificar de manera correcta los movimientos típicos de un sistema de tracción omnidireccional como son: desplazamiento vertical, lateral, diagonal en grados y rotación angular para 5 diferentes pisos de prueba, corroborando en cada uno de ellos un buen funcionamiento de la plataforma. Sin embargo, los mejores resultados se evidenciaron en el piso de goma dada una mejor adherencia de las ruedas minimizando el corrimiento, inconveniente ocasionado debido al material con el que están fabricados los rodillos (nylon).
24 CONCLUSIONES El control de la plataforma omnidireccional se realizó mediante un HMI desarrollado en Visual Studio, el cual permitió un manejo adecuado mediante distintos parámetros de ingreso como: módulo de velocidad, componentes de velocidad, velocidad angular y ángulos de desplazamiento, facilitando así la maniobrabilidad para la plataforma móvil y proporcionando una mejor visualización al operario del estado actual de la plataforma. Se comprobó que el tiempo de ejecución para trayectorias complejas fue considerablemente menor al de un sistema de tracción típico y la autonomía de las baterías en trabajo continuo fue de 8 horas. De acuerdo con las pruebas realizadas, la maniobrabilidad de la plataforma se comprobó correctamente en cada piso de prueba y los movimientos se ejecutaron de acuerdo a la orden asignada por el operario en tiempo real. Se superó una pista de obstáculos dispuestos de tal manera que se pudo identificar con mayor interés el desplazamiento diagonal a distintos grados minimizando el tiempo de operación y visualizando de mejor manera la capacidad de manejo de la plataforma omnidireccional. Se observó que existe una mejor maniobrabilidad a bajas velocidades debido al tiempo de reacción del usuario para realizar el cambio de direcciones.
25 RECOMENDACIONES Para un mejor desempeño de la plataforma móvil omnidireccional respecto al corrimiento que se presenta en las ruedas sobre el piso, se puede realizar un cambio de llantas las cuales incorporen tapas fabricadas en acero lo que asegura una mayor resistencia y sus rodillos estén hechos de un material que presente mejor adherencia al piso como por ejemplo, rodillos de poliuretano o caucho. Las placas de potencia y de control pueden ser rediseñadas para optimizar el espacio, siendo posible incorporar nuevos elementos o facilitar el acceso a los componentes que integran la plataforma móvil. Se puede considerar un material más resistente para la fabricación de la estructura base, de tal modo, que sea capaz de soportar una mayor carga y, por lo tanto, su deformación sea menor. Para futuras aplicaciones se recomienda incorporar un algoritmo de control que permita la navegación autónoma de la plataforma, permitiendo que se desplazase de forma automática hacia un punto específico a través de una trayectoria predefinida, siendo capaz de evadir obstáculos sin la necesidad que el operario intervenga en el manejo.
26 GRACIAS POR SU ATENCIÓN
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