Diseño, moldeamiento matemático y control cinemático de un robot paralelo comandado por cables

Diseño y construcción de un RPCC espacial
Control cinemático de un RPCC espacial
Andrés García VanegasJohn Anderson Cardozo Varón Julian Ernesto Taborda Almanza
2120141018
@estudiantesunibague.edu.co
2120131011
@estudiantesunibague.edu.co
Jorge.garcia@unibague.edu.co
Ingeniería Mecánica Julio, 2019 / Ibagué, Tolima

Contenido
Sistema mecatrónico basado en robótica por cables para la
automatización de cultivos a pequeña escala
Objetivo general:
Evaluar la factibilidad técnica de un sistema mecatrónico basado en robótica
con cables para la automatización de cultivos en agricultura a pequeña
escala.
Investigador principal:
Jorge Andrés García Vanegas
Colaboradores:
Fernando José Castillo García,
Universidad Castilla-La Mancha (España)
Erika Ottaviano,
Universidad de Cassino (Italia)

Contenido
1. Introducción
2. Diseño y construcción de un RPCC espacial
3. Control cinemático de un RPCC espacial
4. Resultados
5. Conclusiones
antonio.gonzalez@uclm.es rea@unicas.itottaviano@unicas.itfernando.castillo@uclm.es
Introducción Diseño RPCC Control RPCC Resultados Conclusiones

1. Introducción
Robótica paralela comandada por cables.
1. Cables (Eslabones)
2. Bastidor (Frame)
3. Actuadores
4. Plataforma móvil (End – effectror)

1. Introducción
Robótica paralela comandada por cables. Clasificación según su
espacio de trabajo.
Planares
Espaciales

1. Introducción
Robótica paralela comandada por cables. Clasificación según sus
patrones de movimiento

1. Introducción
Robótica paralela comandada por cables. Clasificación según el
número de cables y la conexión con el bastidor

1. Introducción
Robótica paralela comandada por cables. Aplicaciones en transporte
y en el sector energético

1. Introducción
Robótica paralela comandada por cables. Aplicaciones en la
ingeniería civil

1. Introducción
Robótica paralela comandada por cables. Aplicaciones logística y
salud
Logística y salud

Objetivo General
1. Estudiar las configuraciones de los robots comandados por cables.
2. Diseñar un prototipo experimental.
3. Construir un prototipo experimental.
4. Verificar el funcionamiento del robot..
Objetivos Específicos
Diseñar y construir un Robot Paralelo Comandado por Cables (RPCC) espacial para
futuros estudios e investigaciones en el laboratorio de diseño mecatrónico del
programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Ibagué.

Diseño del prototipo . Parámetros de diseño
Sistema
Recolector
Sistema
De Poleas
Efector
Final

Diseño del prototipo . Materiales implementados
NylonTablero de fibra de densidad media (MDF)
Poliácido Láctico (PLA) Aluminio
Fibra Hilo Trenzado

Diseño del prototipo . Mejoras en el sistema
Modelos Anteriores
Caja reductora
Modelos actuales
Uniones

Diseño del prototipo . Mejoras en el sistema
Modelos Anteriores
Efector final
Modelos actuales
Sistema de poleas

Diseño del prototipo. Componentes del robot - Estructura

N° Componente Ilustración
1 Nema 23 (Motor PaP)
2 NVMR30 (Caja
Reductora)
3 Acople en acrílico
4 Carrete
5 Soportes en acrílico
6 Soporte SK8_Acero
7 Modulo_MDF
Diseño del prototipo. Componentes del Robot – Sistema recolector
1
2
3
4
5
6
7

Diseño del prototipo. Sistema recolector - Carrete

Diseño del prototipo. Sistema de polea

Diseño del prototipo. Efector Final
Sistema de tensión
Estructura

Diseño del prototipo. Presupuesto
Componentes Valor de los componentes
Bastidor $146.300
Recolector $2’571.937,52
Poleas $127.040
Efector Final $172.840
Valor Total 3’018.117,52

Objetivo General
1. Estudiar los modelos cinemáticos de los robots con cables.
2. Desarrollar la cinemática directa e inversa.
3. Simular trayectorias experimentales.
4. Comprobar en la adaptación del modelo a la plataforma la generación de trayectorias.
Objetivos Específicos
Controlar cinemáticamente el movimiento de un Robot Paralelo Comandado por
Cables (RPCC) espacial para estudios e investigaciones en el laboratorio de diseño
mecatrónico del programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Ibagué.

Modelamiento matemático. Consideraciones previas

Modelamiento matemático. Cinemática del RPCC

Modelamiento matemático. Cinemática directa

Modelamiento matemático. Cinemática inversa

Modelamiento matemático. Espacios de trabajo
WS = 74,52%

Modelamiento matemático. Espacios de trabajo
WS = 58,97%

Sistema Hardware

Generación de trayectorias. Curvas de Bézier

Contenido
1. Introducción
2. Diseño y construcción de un robot paralelo comandado por
cables espacial
3. Control cinemático de un robot paralelo comandado por cables
espacial
4. Resultados
5. Conclusiones

Resultados en construcción. Prototipo

Resultados en construcción. Sistema recolector

Resultados en construcción. Sistema de poleas

Resultados en construcción. Efector final

Resultados en construcción. Análisis de tensión en el cable
Peso del fabricante = 125kg
Peso del ensayo = 120kg

Resultados en construcción. Análisis de tensión en las poleas
Densidad de impresión
4,42g al 60%

Resultados simulados. Cuadrado planar

Resultados simulados. Círculo planar

Resultados simulados. Rombo planar

Resultados simulados. Línea planar

Resultados simulados. Cuadrado espacial

Resultados simulados. Círculo espacial

Resultados simulados. Rombo espacial

Resultados simulados. Línea espacial

Resultados experimentales. Cuadrado planar

Resultados experimentales. Círculo planar

Resultados experimentales. Rombo planar

Resultados experimentales. Línea planar

Resultados experimentales. Cuadrado espacial

Resultados experimentales. Círculo espacial

Resultados experimentales. Rombo espacial

Resultados experimentales. Línea espacial

Resultados experimentales. Errores de posicionamiento
espacial

Diseño y construcción de un RPCC espacial. Conclusiones
• Para este diseño se ha utilizado el programa Solidworks que ha permitido
comprobar interferencias entre los diferentes elementos del sistema y ha
respondido bastante bien a las expectativas y gracias a su sistema de elementos
normalizados (Toolbox) se han podido diseñar la forma de unir cada uno de los
elementos (tornillos, tuercas, bujes, etc.)
• Se ha hallado un espacio de trabajo amplio que permita hacer ensayos de manera
cómoda con margen de movimiento.
• Las uniones de MDF han respondido bastante bien en el ensamblaje con respecto a
las uniones en PLA.
• Para el modelo matemático, se han obtenido unos resultados lógicos gracias al
método de las ecuaciones de la cinemática inversa y directa, y se han elaborado
trayectorias donde se ha comprobado como varía la longitud de los cables en
función de la posición del efector final.
• Este robot se terminó construyendo, a primera vista parece que el diseño está bien
definido.

Control cinemático de un RPCC espacial. Conclusiones
• Se realizo un estudio de los robots con cables, se construyo el modelo matemático
correspondiente a la plataforma y se implemento con el desarrollo de un hardware
y software de control para finalizar con trayectorias simuladas y experimentales
satisfactorias.
• Con los porcentajes de error de posicionamiento obtenidos y las trayectorias
experimentales se confirma la fiabilidad y correcto desarrollo del modelo
matemático de la plataforma.
• La implementación de cajas de reducción en los RPCC generan un aumento
significativo en los espacios de trabajo.
• Se recomienda la iniciación de trayectorias desde el punto de home del efector final
por ser el punto donde el espacio de trabajo es óptimo.
• Analizar morfologías para implementación en espacios agrícolas.
• El dimensionamiento del efector final y su relación bastidor/efector afecta
directamente el espacio de trabajo aprovechable.

Control cinemático de un RPCC espacial. Trabajos futuros
• Creación de un sistema de control en lazo cerrado e implementación de la
cinemática inversa para su calibración.
• Realización de trayectorias con efectores finales con diferentes morfologías, masas y
dimensiones para encontrar patrones que puedan aumentar los espacios de trabajo
de los RPCC.
• Implementación de un efector final como herramienta de trabajo en este prototipo
(manipuladores), para lograr un análisis del posible comportamiento que tendría en
aplicaciones a gran escala.

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