diseño y construcción de un robot explorador de tubos

“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 .

New York: Springer. Bishop., R. H. (2008). The mechatronics handbook : mechatronic systems, sensors, and actuators ;

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http://www.directindustry.es/prod/cedrat-technologies/actuadores-piezoelectricos-amplificados-54728-407645.html#product-item_407667

International Conference on Engineered Materials for Advanced ... (1988 : Gaithersburg, Md.).. (1988). Engineered materials for advanced friction and wear applications : proceedings of an International Conference Gaithersburg, Maryland, USA, 1-3 March, 1988 / edited by F.A. Smidt. Maryland USA: F.A Smidt.

B I B L I OGR AF Í A

Koivo., A. J. (1989). Fundamentals for control of robotic manipulators . New York: Wiley. Kudryavtsev., V. P. (1988). Electromagnetoelasticity of solids : piezoelectrics and electrically conductive

materials. New York: Gordon and Breach. Vázquez Montaño, J. J. (2008). México Patente nº 000179073. T. Majewski, Vibratory Forces and Synchronization in Physical Systems, Revista Ingeniería Mecánica

Tecnología y Desarrollo, Vol.4 No.4 (2013) pp.119-128, ISSN: 1405-7743 T. Majewski, M. Ignacio Quiroz, Design and Construction of a Mini-robot with Terrestrial Locomotion.

CONIELECOMP2013, Puebla, 11-13.03.2013, pp.218-224 T. Majewski, Toy as an example of non-smooth system, Memorias del XIX Congreso Internacional Anual de

la SOMIM, 2013, pp.1095-1100, ISBN 978-607-95309-9-0 T. Majewski, D. Szwedowicz, M. Á. Terán. Diseño y construcción de un robot por accionamiento de un

solenoide lineal, Memorias del XX Congreso Internacional Anual de la SOMIM, 2014, pp.136-142

B I B L I OGR AF Í A T. Majewski, D. Szwedowicz, Behavior of the robot with vibratory excitation, IFToMM-FeIbIM

International Symposium on Multibody Systems and Mechatronics, Huatulco, Mexico, 21-24.10.2014, Mechanism and Machine Science 25, Springer, ISSN 2211-0984, ISBN 978-3-319-09857-9, DOI 10.1007/978-3-319-09858-6, ISSN 2111-0992, ISBN 978-3-319-09858-6 (eBook), 2014, pp. 67 - 74