Desarrollo de Mecanismo de Ascenso Sobre Escaleras

DINÁMICA APLICADA, JUNIO 2017

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Diseño e Implementación de Mecanismo de Ascenso Sobre Escaleras para el Transporte de Material Delicado Fernan Eugenio Fortich Chequemarca Código, 1802316,  Brandon Rahiran  Código, 1802452, Juan Sebastian Arbelaez   Código, 1802591 y Juan Sebastian Sebastian Gayon Gayon Cano Código, 1802209 

Resumen —En — En el presen presente te escrit escrito o descri describir biremo emos s el diseño y la implementación de un robot que sera usado para ascender escaleras con el fin de transportar materiales delicados. delicados. Nos enfocaremos enfocaremos especialmen especialmente te en el diseño diseño mecáni mecánico co del sistem sistema, a, su anális análisis is estáti estático co y su análisis dinámico; así como también en la selección de los actuadores necesarios para tal fin. Keywords —Robo Robot, t, Me Meca canismo, nismo, Ascen Ascenso, so, Escaler Escaleras, as, Dinamica Aplicada, Transporte de Material  I.

Intro Introduc ducció ción n

Un robot robot es útil útil para para hacer hacer tareas tareas repetit repetitiv ivas as (como (como llev llevar materi material al a travé travéss de unas unas escale escaleras ras o un terren terrenoo escabr escabroso oso)) dejand dejandoo al ser human humanoo espaci espacioo para para hacer hacer tareas mas de mayor complejidad. El diseño de cualquier mecanismo depende del problema que se valla a resolver. El robot que se ha de construir en este proyecto tiene como finalidad el transporte de material delicado (en este caso un huevo crudo) a través de escaleras de modo tal que el material transportado no sufra en el proceso. II.

Objeti Objetivo vo Genera General l

Diseñar e implementar un robot que transporte material delicado a través de una escalera sin que dicho material se vea afectado por las vibraciones y fuerzas que esta pudiera tener. III.

Objet Objetiv ivo o Espe Especif cifico ico

Realizar el diseño mecánico de un dispositivo capaz de subir una escalera cargando un huevo.. Realizar los cálculos necesarios de análisis del movimiento del mecanismo para su correcto funcionamiento. Fernan Eugenio Eugenio Fortich ortich Chequemarca, Chequemarca, estudiante estudiante de IngenieIngeniería Mecatrónica de la Universida Universidad d Militar Nueva Nueva Granada, Granada, email: [email protected] Brandon Rahiran, estudiante de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Militar Nueva Granada, email: [email protected] Juan Juan Seb Sebasti astian an Arbe Arbela laeez, estu estud dian iante de Inge Ingen nierí iería a Mecatró Mecatrónic nica a de la Unive Universid rsidad ad Militar Militar Nuev Nueva Granad Granada, a, email: email: [email protected] Juan Juan Seb Sebasti astian an Arbe Arbela laeez, estu estud dian iante de Inge Ingen nierí iería a Mecatró Mecatrónic nica a de la Unive Universid rsidad ad Militar Militar Nuev Nueva Granad Granada, a, email: email: [email protected]

Figura 1. Mecanismo Mecanismo de Dos Orugas Para Para Subir Escaleras Escaleras

Desarrollar la parte mecánica y electrónica del robot acorde a las necesidades presentadas anteriormente y los requerimiento en fuerza, velocidad del robot. Seleccionar los mecanismos y componentes mecánicos adecuadamente para el correcto desempeño del dispositivo. Seleccionar los actuadores y demás elementos electrónicos para el correcto desempeño. Armonizar todos los componentes mecatrónicos en el proyecto. IV.

Revisi Revisión ón Docu Documen ment tal

El problema de ascenso en escaleras ha sido tratado de distintos modos y para distintas aplicaciones. Se encontraron múltiples tendencias particulares de como resolver el problema de ascenso dentro de esta área. Una Una de ella ellass fue fue la de dos dos orug orugas as unid unidas as entr entree si, si, una princi principal pal y otra otra secund secundari aria. a. Mient Mientras ras que la oruga oruga principal anda en el suelo un infrarrojo detecta la escalera y este activa la oruga segundaría elevándola lo suficiente para que se monte sobre el escalón y avanza para que se suba el restante del mecanismo. El robot es mostrado en la figur figuraa 1. [1]. [1]. Otra de las soluciones dadas es la de un robot plegable que ha sido construido con dos brazos de dos grados de libertad que son usado para subir las escaleras como es mostra mostrado do en la figura 2 . Ademá Ademáss de eso el robot tiene tiene como controlador principal un PC y se comunica con este atraes de Wi-Fi. [2] Tam ambié bién n existe existe otro otro mecan mecanism ismoo con dos brazo brazo pero cada brazo con un grado de libertad, controlado mediante servomotores y su avance en horizontal lo da un motor D.C. D.C. tipo oruga oruga que se muest muestra ra en la figura figura 3 y su modo de subir se basa en que cada brazo hace que la oruga se acople a la forma de la escalera como se puede ver en la figura figura 4. [3]

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Figura 2. Secuencia de subida del segundo mecanismo estudiado

Figura 3. Vista lateral del tercer robot descrito

Dentro de las opciones también hay un robot con cuatro «Ruedas»modificadas de tal modo que genere tres puntos de apoyo como se puede observar en la figura 5 de tal modo que al rotar coloca dos puntos de apoyo en paralelo sobre la escalera y cuando vuelve a rotar los puntos de apoyo impulsan el robot hacia arriba colocando lo que falta del robot dentro en el escalón, además que los cuatro puntos de apoyo le dan mayor estabilidad. Se mueven mediante un motor DC que provee el movimiento rotatorio de las ruedas delanteras y se transmite el movimiento a estas mediante un tren de engranajes para darle el torque necesario para subir las escaleras. A su vez las llantas delanteras transmiten el movimiento rotatorio a las llantas traseras mediante una transmisión por cadena ejerciendo torque en las cuatro ruedas. [4] Otra de las opciones es una modificación del anterior en donde las terminaciones de las puntas de la rueda en vez de ser «Pies »son ruedas formado un cluster plantario de ruedas o también conocido como un arreglo de ruedas «Tri-star »como se puede observar en la figura 6. [5] El arreglo de ruedas «Tri-star »funciona como una rueda

Figura 4. Secuencia de subida de escaleras del tercer robot descrito

Figura 5. Robot con ruedas modificadas para subir escaleras

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Figura 8. Simulación Working Model

Figura 6. Ruedas con segunda modificación para subir escaleras

Figura 7. Secuencia de Movimiento Rueda Tri-Star

ordinaria en terreno plano, pero tiene la capacidad de subir automáticamente cuando se encuentra un impedimento en el trayecto como se puede apreciar en la figura 8 . Este diseño de rueda consta de tres neumáticos, cada uno montado en un eje separado. Estos ejes están situados en los vértices de un triángulo equilátero. Los tres ejes están orientados hacia un cuarto eje central (al que se puede acoplar un motor). Cuando están orientados en esta forma casi-planetaria, estos conjuntos triangulares de ruedas pueden negociar muchos tipos de terreno, incluyendo arena y barro; Pueden también permitir que un vehículo suba sobre obstrucciones pequeñas tales como rocas, agujeros, y escaleras. El conjunto de rueda puede ser accionado por engranaje, con dos ruedas en contacto rodante con el suelo. La tercera rueda gira en la parte superior hasta que la rueda delantera inferior golpea una obstrucción. La obstrucción impide que la rueda delantera inferior se mueva hacia delante pero no afecta al movimiento del eje motriz. [5] La inclusión del permite un sistema aun mas estable, con un menor consumo de potencia en los motores, dado que el anterior sistema tiene la desventaja de un alto consumo de energía aun en terreno plano. También para el diseño de este ultimo hacen ciertos supuestos como que el centro de masa del robot esta ubicado en su centro geométrico, siempre hay contacto puntual entre la rueda y el suelo, todas las ruedas giran con la misma velocidad y que la fuerza se distribuye uniformemente en las 8 ruedas en contacto con el piso cuando el terreno es plano. [5], [6]

Figura 9. Simulación Geometria 5 Puntas

V.

Simulación Previa y Condiciones Iniciales de Movimiento

En la simulación incluida en los anexos del disco ("Simulación Preliminar.wm2d") se puede observar unas condiciones aproximadas del movimiento del robot en el cual se puede determinar que se requiere un torque necesario en cada rueda de 130 Kgf*mm y que las ruedas giren a una velocidad de 20 RPM, se nota que la velocidad no tiende a ser tan constante, es decir presenta variaciones y picos muy pronunciados. Así mismo se tendrá en cuenta en el diseño la transmisión por cadena tanto para que las ruedas giren todas al mismo tiempo, como para aumentar el torque y disminuir la velocidad dado que el motor del cual se dispone en el mercado tiende a ser un motor de 45 RPM y de 300 Kgf*mm, para este fin usaremos 1 Motor con relación de poleas y transmitiremos la rotación de eje a eje mediante cadena y daremos prioridad al torque necesario para funcionar que a la velocidad. También para brindar mayor estabilidad y soporte ampliaremos las puntas de las ruedas de 3 a 5 puntas y esta se puede observar en otro de los anexos del disco(Rueda de 5 Puntas 1.wm2d"). Como se observa en la 9El menor pico de torque se presenta cuando la rueda reposa sobre las dos superficies y luego pide un torque aproximado de 130 Kgf*mm para luego volver a reposar y asi sucesivamente cumple el ciclo, también se nota la mayor estabilidad del dispositivo por ende es el seleccionado para el ensamblaje del mecanismo.

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VI.

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Cálculos y Generalidades del Diseño

Al notar estos comportamientos lo primero sera calcular la relación polea motor - polea eje rotatorio; teniendo en cuenta que se requiere un torque total aproximada de 800 kgf*mm; por ende calculamos la relacion de poleas asi: i

=

T 1 T 2

(1)

Donde T1 y T2 son los torques de entrada y salida respectivamente e íés la relación de poleas. Se puede observar que Si i <1 (reductor), T2 >T1. En este caso, la velocidad de la rueda conducida es menor que la de la polea motriz, pero el momento torsor resultante es mayor. Si i >1 (multiplicador), T2
300kgf 

 mm 800kgf  ∗ mm

=

∗

=

3 8

= 0,375

Figura 10. Diagrama de Fuerzas General

(2)

Si la polea mayor tiene un diámetro de 15 cm y teniendo en cuenta que: D1

=  i

∗

 D2

= 0,375  ∗  15 cm  = 5,625cm

(3)

Por ende la polea que va sujeta al motor debe tener un diámetro aproximado de 5.5 cm. La velocidad angular de las ruedas finalmente es dada por: V  f 

=  V  m

∗

 i

= 45rpm  ∗  0 ,375 = 16,88rpm

(4)

También podemos decir que necesitamos un motor de aproximadamente 14 Watts a 36 Voltios, lo cual implicaría una corriente de 0.4 Amperios. Para asegurar que las ruedas giren todas con la misma velocidad ambos ejes están conectados por una transmisión por cadena de relación 1:1. Un diagrama tentativo de fuerzas serial el mostrado en la 10 en el cual se muestra la dirección de la fricción, la normal y el peso en los sitios que corresponden, sin embargo dado que no se dispone de datos suficientes tales como los coeficientes de fricción o las masas y que es una geometria aproximada del robot real no se pueden calcular con fiabilidad. VI-A.

Código Arduino y Aplicativo Móvil 

Se uso arduino con un modulo bluetooth para poder manejar el dispositivo desde un móvil android el código del arduino se basa en una comunicación serial simple con un siwtch que activa o desactiva cada motor involucrado en el mecanismo.

Figura 11. Codigo AppInventor

Codigo Arduino: int orden; void setup()

// put your setup code here, to run once: pinMode(7, OUTPUT); pinMode(8, OUTPUT); pinMode(9, OUTPUT); Serial.begin(9600); void loop() orden=Serial.read()-’0’; switch (orden) case 0: digitalWrite(9, LOW); break; case 1: digitalWrite(9, HIGH); break; case 2: digitalWrite(7, LOW); digitalWrite(8, LOW); break; case 3: digitalWrite(7, LOW); digitalWrite(8, HIGH); break; case 4: digitalWrite(7, HIGH); digitalWrite(8, LOW); break; // put your main code here, to run repeatedly: El aplicativo móvil fue desarrollado en la plataforma de AppInventor del MIT el cual nos proporciono un modo fácil de ordenar y programar y consiste en 5 botones los cuales mandan un numero por puerto serie mediante conectividad bluetooth que recibe el arduino y ejecuta la acción predeterminada para cada numero enviado el cual es apagar o encender los motores involucrados en el dispositivo. El codigo del aplicativo movil se puede apreciar la se puede apreciar en la 11 con su respectiva interfaz en la 12.

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funcionamiento del concepto del dispositivo mas no todas sus posibilidades dadas las limitaciones presentadas en su fabricacion. Referencias [1]

K. Khandelwal, R. Patel, A. Shenoy, S. Farooquee, and G. George, “Application of stair climbing robot,” in 2015 International  Conference on Technologies for Sustainable Development (ICTSD), Feb 2015, pp. 1–5. [2] E. Foo and T. T. Le, “Starcly robot x2014; a novel compact stair climbing robot,” in 2010 2nd International Conference on  Mechanical and Electronics Engineering , vol. 2, Aug 2010, pp. V2–75–V2–78. [3] M.-S. Wang and Y.-M. Tu, “Design and implementation of a stair-climbing robot,” in   2008 IEEE Workshop on Advanced  robotics and Its Social Impacts, Aug 2008, pp. 1–6. [4] J. Jaeger, “Stair climbing robot,” 2017. [Online]. Available: https://create.arduino.cc/projecthub/jjj/stair-climbingrobot-ad2203 [5] D. Saha, R. Ray, and S. Bhaumik, “Dynamic modelling of a skidsteered twelve wheeled mobile robot using a x2018;slip x2019;x2018;friction coefficient x2019; relationship and its trajectory tracking control,” in IEEE-International Conference On Advances In Engineering, Science And Management (ICAESM -2012), March 2012, pp. 192–197. [6] Wikipedia, “Tri-star (wheel arrangement) — wikipedia, the free encyclopedia,” 2017, [Online; accessed 1-March-2017]. [Online]. Available: https://en.wikip edia.org/w/index.php?title=Tristar( wheel rrangement)oldid  = 761933578 a

Figura 12. Interfaz Aplicativo Movil

VII.

Conclusiones y Recomendaciones

En el desarrollo del dispositivo se presentaron varios inconvenientes esencialmente al no haber tenido información de la resistencia de materiales comunes como la madera aglomera, el mdf y el latón de ferretería dado que este no aparece en las tablas, mas sin embargo el dispositivo funciona correctamente. Para prototipos futuros se pueden reemplazar dichos materiales por aleaciones de aluminio y bronce para dar mayor resistencia y menor peso necesitando así un motor de menor torque y no tener necesidad de sobrexceder los cálculos de las relaciones de las poleas. Así mismo se puede complementar el dispositivo con baterías de menor tamaño y mejor rendimiento aunque esto aumentaría drásticamente los costos del dispositivo. También en caso de que no se consigan poleas estas se pueden reemplazar o bien por engranajes planetarios (aunque serian bastante grandes) o en su defecto por una transmisión de potencia por cadena para evitar así perdidas de potencia, complicaciones en el montaje y deslizamiento de la correa de la polea. La construcción de la geometría de preferencia se debe realizar con maquinas especializadas en corte de estos materiales y de ser posible por manos expertas. El presente prototipo demuestra el