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“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
ROBOT EXPLORADOR DE TUBOS”
P R ESENTA: S E RGIO O M AR PA L E G ON ZÁLEZ
A S ESOR: D R . TA D EUSZ M A JEWSKI S Z YMI EC
CO A S ESOR: D R . G I BRAN E TCHEVERRY D OGER
S I N ODALES : D R . DAN I EL VA L LEJO R ODR ÍGUEZ
Introducción
Planteamiento del problema
Dificultad de acceso
Reducción de riesgos
Funcionamiento simple
Objetivos del proyecto • La solución que se dará a este problema será implementar un
mecanismo que realice una tarea de exploración por casi cualquier superficie, a un costo razonable y con un principio de funcionamiento simple, el cual es, la fricción que se ejerce entre dos cuerpos. Este principio podrá ser comprendido y analizado muy fácilmente. Se estudiaran y analizaran variaciones de diseño.
Objetivo general
•Selección de actuador
•Propuestas de diseño del robot
•Selección de diseño
•Adquisición del actuador
•Análisis de movimientos
•Construcción y análisis del robot
•Estudio de fricción
•Pruebas y resultados
•Propuestas de mejoras en el diseño final
Objetivos específicos
Marco teórico
Antecedentes de investigación
L.M. Di Matteo, C. Verrastro, J. Roitman (2006) “Robot para exploración de tuberías de diseño compacto, modular, estanco y de seguridad intrínseca.”
Salgado Tomás (2013) “Robots para trabajos riesgosos en p
Pemex”. El objetivo fue la construcción de robots para realizar trabajos riesgosos en tuberías.
Marco teórico
Antecedentes de investigación
Oskar Ostertag, Eva Ostertagová, Michal Kelemen, Tatiana Kelemenová, Ján Buša, Ivan Virgala (2014)“Miniature Mobile Bristled In-Pipe Machine”
Marco teórico
ELECTRÓNICA
•Diseño de circuitos
•Dispositivos de electrónica de potencia
•Análisis de señales para la optimización del robot
MECÁNICA
•Diseños en CAD
•Manufactura del robot
•Análisis de coeficiente de fricción
•Pruebas de fuerza
•Cálculo de curvatura
PROGRAMACIÓN
•Programación de un microcontrolador
• Interpretación del código
Actuador PPA 20
VOLTAGE MAX: 150 V PK-PK
Actuador PPA 20 PRUEBAS
PRUEBAS FRECUENCIA
GENERADOR DE FUNCIONES
PRUEBAS FRECUENCIA
SEÑAL CUADRADA
PRUEBAS FRECUENCIA
ACELERÓMETRO
Actuador PPA 20 PRUEBAS
PRUEBAS POTENCIA
CONSOLA DE POTENCIA
PRUEBAS POTENCIA
SEÑAL DE ALIMENTACIÓN
PRUEBAS POTENCIA
PUENTE H LMD 18201
Actuador PPA 20 PRUEBAS
PRUEBAS DE ALIMENTACIÓN
SEÑAL CUADRADA DEL PUENTE H
PRUEBAS DE ALIMENTACIÓN
RUIDO DE SEÑAL
PRUEBAS DE ALIMENTACIÓN
CAPACITOR DE 2200 µF
Actuador PPA 20 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
CIRCUITO CON CAPACITOR
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
SEÑAL LIMPIA
Actuador PPA 20 SISTEMA DE LOCOMOCIÓN
BASES DE CONTACTO
UNIÓN
POSICIÓN
Actuador PPA 20 SISTEMA DE LOCOMOCIÓN
BASES SELECCIONADAS
DIÁMETRO DE BASES
POSICIÓN DENTRO DEL TUBO
Actuador PPA 20 CÁLCULO DE VELOCIDAD
𝑉 =𝑑
𝑡
V= velocidad [mm/s]
d = es la distancia que se recorrerá [mm]
t = tiempo que demorara recorrer una distancia [s]
t = 62 segundos d = 50 mm.
𝑉 =50 𝑚𝑚
62 𝑠
Resolviendo:
𝑽 = . 𝟖𝟎 𝒎𝒎/𝒔
Actuador PPA 20 OPTIMIZACION
ELECTRÓNICA
MECÁNICA
OPTIMIZACIÓN PPA 120XL
MASA DE INERCIA
CAMBIAR EL DUTY CYCLE
CAMBIAR SEÑAL DE REGRESO
BASES MAS CORTAS
FRECUENCIAS BAJAS
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
ESQUEMA GENERAL DEL ROBOT
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Como sabemos que nuestro cuerpo esta estático. Tenemos que:
𝛥𝑦 = 𝛥𝑠𝑒𝑛 𝛼 Sabemos:
𝛥 =𝑁0
𝐾 𝑠𝑒𝑛 𝛼
𝑁0 =𝐾 ∗ 𝛥𝑦
𝑠𝑒𝑛2α
Despejando para 𝛥𝑦:
𝛥𝑦 =𝑁0
𝐾𝑠𝑒𝑛2 𝛼
𝛥𝑦= constante
Δy
Δx
Δ
α N0 N0
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Para el análisis dinámico tenemos que: X1 > 0
𝛥 =(𝑁1 ∗ 𝑠𝑒𝑛 𝛼 + 𝐹1 ∗ cos 𝛼)
𝐾
𝐹1 esta definido por: 𝐹1 = µ ∗ 𝑁1(𝑠𝑖𝑔𝑛[𝑉] )
Donde sign [V] es 1 ó -1 dependiendo de la dirección de movimiento
𝛥𝑦
𝑠𝑒𝑛 𝛼= 𝛥 =
𝑁1(𝑠𝑒𝑛 𝛼 + µ ∗ cos 𝛼)
𝐾
Despejando para 𝑁1:
𝑁1 =𝐾 ∗ 𝛥𝑦
𝑠𝑒𝑛 𝛼(𝑠𝑒𝑛 𝛼 + µ cos 𝛼 ∗ 𝑠𝑖𝑔𝑛[𝑉])
𝐹1 = µ ∗ 𝑁1 ∗ 𝑠𝑖𝑔𝑛 [𝑉]
X2
N2
F1 F2
N1
X1
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Por lo tanto:
𝑋1 > 0 𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑉1 = 1 𝑁1 𝐹1
𝑋2< 0 𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑉2 = −1 𝑁2 𝐹2 Esto hace posible el desplazamiento del pistón debido a que:
𝐹2 > 𝐹1
ΔF = 𝐹2 − 𝐹1 > 0 (fuerza de empuje del robot)
en el tiempo de: 0 T/2
Donde T es el periodo completo de operación.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO En la segunda mitad del periodo que va de:
T/2 T
Por lo tanto:
𝑋1 < 0 𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑉1 = −1 𝑁1 𝐹1
𝑋2 > 0 𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑉2 = 1 𝑁2 𝐹2 Esto hace posible el desplazamiento del robot debido a que:
𝐹1 > 𝐹2
ΔF = 𝐹1 − 𝐹2 > 0
Debido a la velocidad de desplazamiento las fuerzas inerciales son despreciables.
𝐹1
𝑁1 𝑋1
𝑁2 𝑋2
𝐹2
Actuador Lineal FIRGUELLI PQ 12
FIRGUELLI PQ 12 CONTROL
CONTROL PWM
ARDUINO DUEMILANOVE
MOTOR SHIELD
FIRGUELLI PQ 12 CÓDIGO
Límites
Posición
Comparación
FIRGUELLI PQ 12 ANÁLISIS DE DISEÑO MECÁNICO
DIMENSIONES
SUJECIÓN
FIRGUELLI PQ 12 DISEÑO 1
FIRGUELLI PQ 12 DISEÑO 2
FIRGUELLI PQ 12 DISEÑO 3
FIRGUELLI PQ 12 DISEÑO 4
FINAL
FIRGUELLI PQ 12 CONSTRUCCIÓN
MARCO DEL MOLDE
FRESADO DE PIEZA
TORNEADO
FIRGUELLI PQ 12 CONSTRUCCIÓN
DETALLADO DE PIEZA
ENSAMBLE
FIRGUELLI PQ 12 MATERIAL DE CONTACTO
SUAVE
RÍGIDO
MALEABLE
MATERIAL SELECCIONADO
FACILIDAD DE MOVIEMIENTO
POSICIÓN DESEADA
FIRGUELLI PQ 12 TRATAMIENTO DE MATERAL
POSICIÓN DESEADA
TRATAMIENTO TÉRMICO
RESULTADO
FIRGUELLI PQ 12 MEDICIÓN DE FUERZAS
CIRCUTO DE PRUEBAS
FIRGUELLI PQ 12 MEDICIÓN DE FUERZAS
RESISTENCIA EN DIRECCIÓN DE MOVIMIENTO
FIRGUELLI PQ 12 MEDICIÓN DE FUERZAS
RESISTENCIA EN DIRECCIÓN OPUESTA A MOVIMIENTO
FIRGUELLI PQ 12 MEDICIÓN DE COEFICIENTES
• Cerdas pegada por si lado solido sobre una superficie fija
• Fijación del dinamómetro en un extremo
• Fijación del medidor de caratula en el otro extremo
FIRGUELLI PQ 12 MEDICIÓN DE COEFICIENTES
K= .31 N/mm
FIRGUELLI PQ 12 CÁLCULO DE COEFICIENTES
COEFICIENTE DE FRICCION DEL TUBO
Sabiendo que el coeficiente de fricción está definido por:
µ =𝐹
𝑤
Donde: W es el peso de nuestro robot. F la fuerza necesaria para mover el robot. F= .3 N
Sabemos que la masa del robot es: m = 119gr Para obtener el peso debemos multiplicar por la gravedad y quedaría de la siguiente manera: W = (.119Kg)*(9.8m/s2) W = 1.16 N
µ =. 𝟑𝑵
𝟏. 𝟔𝟔𝑵
µ = . 𝟐𝟔
FIRGUELLI PQ 12 VELOCIDAD DEL PISTÓN
VELOCIDAD DEL PISTÓN
FIRGUELLI PQ 12 MODELADO MATEMÁTICO
t [s]
z2
[m
m]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
Time
v1 [
mm
/s]
0 5 10 15 20
0
5
10
Time
v2 [
mm
/s]
0 5 10 15 20
0
5
10
t [s]
z1
[m
m]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
t [s]
zi [m
m]
0 4 8 12 16 20
0
20
40
60
80
100
FIRGUELLI PQ 12 EVALUACIÓN DEL PROYECTO
VELOCIDAD DEL ROBOT
FIRGUELLI PQ 12 CÁLCULO DE RADIO DE CURVATURA
FIRGUELLI PQ 12 CÁLCULO DE RADIO DE CURVATURA
Sabemos que el radio de un arco esta definido por:
𝑅 = 𝑎2 + ℎ2
2ℎ
Donde:
a
h
Donde:
L = distancia entre la parte media del actuador fijo y el actuador móvil.
D = diámetro interno del tubo.
d = diámetro que forma el sistema del robot con un ligero dobles de las cerdas.
R = el radio de curvatura que estoy buscando.
FIRGUELLI PQ 12 CÁLCULO DE RADIO DE CURVATURA
MÉTODO GRÁFICO
TRAZO CON COMPÁS
FIRGUELLI PQ 12 CÁLCULO DE RADIO DE CURVATURA
CÁLCULO EN FUNCION DE L1
Donde: L1 = 45 mm (cuando el pistón solo se expande 10mm). El resultado para h, al medirlo por el método gráfico nos dio: hL1 = 2.5 mm h = altura entre la horizontal y el arco formado por los vértices de L.
Sabemos que: 𝑳 = 𝟐𝒂
L1= 45 mm Despejamos “a” y la ecuación nos queda:
𝑎 =𝐿
2
Sustituyendo valores:
𝑎 =45𝑚𝑚
2
Resolviendo: 𝒂 = 𝟐𝟐. 𝟓 𝒎𝒎
Sustituimos valores para determinar R:
𝑅 = (22.5𝑚𝑚)2+(2.5𝑚𝑚)2
2(2.5𝑚𝑚)
Resolviendo: 𝑹𝒉𝑳𝟏
= 𝟏𝟎𝟐. 𝟓 𝒎𝒎
FIRGUELLI PQ 12 CÁLCULO DE RADIO DE CURVATURA
MÉTODO GRÁFICO
TRAZO CON COMPÁS
FIRGUELLI PQ 12 CÁLCULO DE RADIO DE CURVATURA
CÁLCULO EN FUNCION DE L2
Donde: L2 = 55 mm (cuando el pistón solo se expande 20mm). El resultado para h, al medirlo por el método gráfico nos dio: hL1 = 3.5 mm h = altura entre la horizontal y el arco formado por los vértices de L.
Sabemos que: 𝑳 = 𝟐𝒂
L2= 55 mm Despejamos “a” y la ecuación nos queda:
𝑎 =𝐿
2
Sustituyendo valores:
𝑎 =55𝑚𝑚
2
Resolviendo: 𝒂 = 𝟐𝟕. 𝟓 𝒎𝒎
Sustituimos valores para determinar R:
𝑅 = (27.5𝑚𝑚)2+(3.5𝑚𝑚)2
2(3.5𝑚𝑚)
Resolviendo: 𝑹𝒉𝑳𝟐
= 𝟏𝟎𝟗. 𝟖 𝒎𝒎
FIRGUELLI PQ 12 RADIO DE CURVATURA
BOSQUEJO DE RADIO DE CURVATURA PERMISIBLE
Nuestro radio de curvatura para este prototipo esta entre los valores:
R = 102mm hasta 110mm
FIRGUELLI PQ 12 MEDICIÓN DE RUGOSIDADES
VALORES DEL PLÁSTICO
FIRGUELLI PQ 12 MEDICIÓN DE RUGOSIDADES
VALORES DEL ACERO
FIRGUELLI PQ 12 MEDICIÓN DE RUGOSIDADES
VALORES DE NYLAMID
FIRGUELLI PQ 12 MEDICIÓN DE RUGOSIDADES
VALORES ALUMINIO
CO N C LUSI ONES
PEQUEÑAS DEFORMACIONES
ALTOS VOLTAGES
ALTAS FRECUENCIAS
CO N C LUSI ONES
Metas alcanzadas
• Desplazamiento ascendente
• Desplazamiento en tubos curvos
• Estudios de fricción
• Diseño eficiente
B I B L I OGR AF Í A Alexander, R. M. (1977). Mechanics and energetics of animal locomotion. London: Chapman and Hall. Angeles, J. (2003). Fundamentals of robotic mechanical systems : theory, methods, and algorithms .
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