TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA

Laboratorio de Control Automático

"Ballbot”

REALIZADO POR:

DANIEL BARRANTES OVIEDO 201064132

IGNACIO SANDÍ FONSECA 200925290

GRUPO 01

PROFESOR:

Lic. Jordan Montero Aragón

FEBRERO 2014

Estado del arteEntorno del proyectoDefinición del problemaEnfoque de la soluciónMetaObjetivo GeneralObjetivos EspecíficosProcedimiento para la ejecución del proyectoCronograma de actividadesRecursosPresupuestoRequerimientos del sistemaCandidatos para diseñoEspecificaciones

MecánicaControl

Blibiografía

Estado del arteLa concepción de un robot que se balancea sobre una esfera ha sido investigada y desarrollada por varias universidades alrededor del mundo; el primer robot de este tipo se realizó en el año 2006 en la Universidad de Carnegie Mellon, en Pittsburgh de los Estados Unidos por los profesores Lauwers, Hollis y Kantor aunados a su equipo de trabajo. (Lauwers, Kantor y Hollis, 2006), este peculiar robot se movía impulsado por un mecanismo similar al de un mouse de computadora, solo que con un funcionamiento invertido. Este modelo fue llamado “ballbot”, término que sería utilizado para designar a aquellos mecanismo con este tipo de locomoción. En ese mismo año, se desarrolló en la Universidad de Tohoku, en Japón, por los estudiantes de maestría y doctorado Kumagai y Ochiai, quienes propusieron un modelo de transporte de cargas y funciones cooperativas. (Kumagai y Ochiai, 2009). Este modelo contó con ruedas omnidireccionales, cada una sobre un motor a pasos para transmitir el par a la esfera y con esto controlar el giro sobre el eje perpendicular al piso. Además, con el uso de de motores paso a paso se redujeron los costos e hizo el control mucho más simple; el uso de ecuaciones centradas en comandos de aceleración, hizo mucho más robusto el control con respecto al basado en el par aplicado. Un arreglo de acelerómetros y giroscopios cuyas señales fueron combinadas mediante un filtro digital de primer orden, se utilizó para obtener una señal de entrada para la inclinación. Las constantes para este control se obtuvieron experimentalmente y el robot mostró estabilidad incluso con una sobrecarga de hasta 10 kg. En la Universidad de Tokio, se construyó un ballbot con la finalidad de servir como transporte personal llamado B. B. Rider (Basketball Rider). (García y Minami, 2012), el cual contaba con un asiento, controladores y mecanismos de de transmisión de par especiales para los motores de

forma que fuera capaz de soportar y trasladar a una persona promedio. Sin embargo, no llegaron a proponer un sistema de control para el vehículo. En China, en la Universidad de Ching Hsing, cuatro estudiantes crearon una variante de este robot con dos motores sin escobillas y con un control por modos deslizantes para estabilidad y posicionamiento con la intención de resolver la problemática que supone la fricción en este sistema.(García y Minami, 2012). Para el 2009, Nagarajan, Mampetta, Kantor y Hollis propusieron un modelo con cuatro servomotores, uno extra para el giro alrededor del eje perpendicular. Por otra parte, se le colocaron patas retráctiles para mantener totalmente quieto el sistema; su control se llevó a cabo mediante un PID (proporcional, derivativo e integral) y para mantener la posición del sistema se empleó una unidad de medición inercial. (Nagarajan, Mampetta, Kantor y Hollis, 2009)., En la universidad de Adelaide, Australia; se desarrolló un ballbot como proyecto estudiantil mediante un modelo funcional en LEGO Mindstorms NXT, y posteriormente se construyó en tamaño real con una altura similar al de una persona promedio. El ballbot más reciente fue desarrollado en la Escuela Politécnica Federal de Zurich, en Suiza, y fue llamado “Rezero”. Este último ballbot tuvo como finalidad ser más ágil, teniendo mayor velocidad y precisión de movimiento que los anteriores. Cuenta con una inclinación máxima de 20°, cuenta con tres motores sin escobillas de reducción, baterías de litio polímero, un sensor láser para medir distancias, un microcontrolador ARM y una unidad de mediciones inerciales. Sin embargo, el costo se incrementó debido a la complejidad del sistema. (Frankhauser y Gwerder, 2010).

Entorno del proyectoPara este desarrollo, se decide por cambiar algunos de los componentes antes empleados; por ejemplo motores paso a paso, por unos motores de corriente directa debido a las bondades de estos y a que la mayoría de los proyectos desarrollos actualmente emplean este tipo de actuadores. Además, emplearemos un microcontrolador impuesto por el profesor Msc. Eduardo Interiano, quien preside el laboratorio de Control Automático lo que cambiará muchas de las características de control, adquisición y respuesta por parte del sistema. Además el diseño de este proyecto debe seguir la metodología de diseño de sistemas mecatrónicos impuesta por el Lic. Jordan Montero, profesor del curso de Diseño de Sistemas Mecatrónicos, donde se evaluará el diseño de todas las partes de que, en conjunto, forman el sistema mecatrónico.

Definición del problemaMuchos prototipos de péndulo invertido se han diseñado, unos con mayor posibilidad de control que otros; hablando específicamente de ballbots, estos solo han sido creados para girar en el eje perpendicular al suelo o gradiente de la superficie de la esfera, desarrollados en otras universidades, y algunos de ellos con problemas de estabilidad, ruido y mala adquisición de datos. (Gutiérrez y Espinoza, 2014). Un sistema ballbot si bien aún no tiene aplicación útil en la industria, representa un importante sistema de control, comparable al de vuelo de aviones, quadcopters, sistemas de control de estabilidad, entre otros. Además, el TEC aún no ha desarrollado ningún prototipo ballbot, por lo que su ejecución se justifica a favor de la generación de una base de datos un poco más extendida y diversificada, que funcione de base a sistemas de mayor complejidad.

todo esto, aunado a que esta será la primera vez que se desarrolle un sistema ballbot en nuestra universidad, orientados mediante las concepciones por parte de otros estudiantes en diferentes universidades alrededor del mundo, hablando de ballbots; desarrollaremos un prototipo que intenta volver a las raíces del primer ballbot que fue diseñado imitando el mecanismo de un ratón de bola para computador, pero llevándolo a una nueva concepción desde la aplicación del diseño mecatrónico que permita llevarlo a un sistema sinérgico.

Enfoque de la soluciónEl proceso de desarrollo se iniciará bajo los siguientes supuestos:

1. Desarrollo de planos de manufactura del ballbot. 2. Estabilización del robot en un rango de 0 a 5° alrededor de la vertical. 3. Consecución de una autonomía de al menos 10 min. 4. Búsqueda de la facilidad de adaptación a diferentes esferas. 5. Desarrollo de programas que puedan modificarse con facilidad, tanto para 6. el control de los motores como el propio algoritmo de control. 7. Como parte del trabajo anterior, se contó con el análisis de diversas alternativas, tanto

en el aspecto de programación como el de selección de componentes mecánicos; sin embargo, existen alternativas nuevas que no habían sido exploradas. A continuación se describirán brevemente algunas de éstas.

MetaDiseñar y construir un sistema ballbot, autónomo en su equilibrio sobre una esfera en dos ejes simétricos.

Objetivo GeneralDesarrollar un dispositivo nuevo que aún no ha sido explotado en nuestra universidad y que representa un reto de control debido a que es un sistema inestable por naturaleza, lo que nos orienta a diseñar y construir un robot tipo ballbot que sea capaz de estabilizarse dinámicamente y que pueda servir para probar diferentes tipos de control de estabilización.

Objetivos Específicos1. Diseñar un ballbot mediante el proceso de diseño mecatrónico.2. Ejecutar la caracterización y modelado de la planta.3. Diseñar y construir la estructura mecánica para el sistema robótico.4. Implementar en la estructura mecatrónica los actuadores y sensores.5. Diseñar e implementar un control en un microcontrolador dado para el funcionamiento

del sistema.6. Lograr la estabilización del ballbot con un grado de desviación menor a 5°.

Procedimiento para la ejecución del proyectoPara el desarrollo de este proyecto, hemos planificado la ejecución de las siguientes actividades

por objetivo, con el fin de completar el proceso de diseño y construcción del ballbot:1. Durante un tiempo aproximado de cinco semanas, se realizará el proceso de

caracterización y modelado de la planta, con el fin de diseñar posibles modelos de regulación y control para la planta. Este proceso se llevará a cabo mediante la herramienta matlab, la cual permite simular comportamientos y sintetizar controladores de una manera rápida, hecho que beneficia la ejecución del proyecto.

2. Paralelo a ello, se construirá la planta mecánica; esta y sus características son las responsables de la complejidad del diseño y es por esto que, la construcción de la misma y el modelado deben llevarse en conjunto, ya que esto nos beneficia en la construcción del controlador, pues variando el diseño de la planta podemos simplificar el control. El diseño de la planta debe considerar el tipo de esfera que servirá de base, además el material debe ser en principio liviano, esto facilita el control del peso en caso de requerir variarlo; además, se espera en primera instancia emplear sujeción fija no permanente lo que nos permitirá tener control de más características de la planta.

3. Los sensores y actuadores deberán ser tomados en consideración antes de siquiera empezar a modelar, de estos dependen la medición y actuación, que aunados al sistema de control, se encargan de hacer que el ballbot ejecute su misión. Parte de las operaciones a realizar es colocar los motores junto con las ruedas de contacto de tal forma que la transmisión del par sea efectivo; por otra parte, los sensores deben colocarse de modo que no interfieran entre sí durante el proceso de lectura, en nuestro caso de la posición angular y la velocidad de caída.

4. Cuando la planta se haya constituido en su totalidad, el paso a seguir es el proceso de pruebas el cual representa la etapa más delicada en el proceso de desarrollo. De esta fase se puede concluir si las etapas anteriores fueron provechosas o en su defecto, si es necesario la reestructuración y/o modificación de la planta.

5. Una vez alcanzada una respuesta favorable por parte de la planta en conjunción con el sistema de control, se debe ajustar el sistema hasta obtener un error menor a 5° por parte del sistema. Esta condición dará por concluido el desarrollo del ballbot, el cual se dispondrá para su presentación. Cabe destacar que durante el proceso de cumplimiento de objetivos, la documentación será un subproceso de relevancia para la entrega de avances e informe de proyecto.

Cronograma de actividades

RecursosEn el caso del desarrollo del presente proyecto se hará uso de 3 tipos de recursos, los cuales vienen dados por la siguiente clasificación:

Humanos. Físicos. Financieros.

Recursos Humanos: Esta clasificación comprende a las personas que se encargan del proyecto, tanto en su parte de gestión, investigación e implementación. Se cuenta con dos estudiantes avanzados de la carrera Ingeniería Mecatrónica y un estudiante avanzado de la carrera Ingeniería Electrónica. Los cuales estarán encargados en diferentes proporciones de las etapas de diseño de todo el proyecto, siempre con la premisa clara del diseño concurrente, por lo cual para el diseño de cada etapa siempre habrá como mínimo dos personas desarrollándola, división que permite que siempre haya al menos una persona que tome en cuenta el diseño basado en la integración con las otras partes del proyecto.

Estudiantes de Mecatrónica:1. Daniel Barrantes Oviedo2. Ignacio Sandí Fonseca

Estudiante de Electrónica:1. Jonathan Rodriguez Beauregard

Recursos Físicos: Los componentes mecánicos, electrónicos y misceláneos son comprendidos por esta sección. Para el desarrollo de este proyecto se utilizará como material base para la estructura del ballbot pletinas de acero, las cuales fueron elegidas por su bajo peso, facilidad de manipulación (doblado, soldado, atornillado, etc) y bajo costo.Como parte de la estructura se necesitarán los siguientes componentes:

1. Balón de balance.2. Tornillos de sujeción.3. Tuercas.4. Cables de conexión para el sistema electrónico.5. Máquina roladora.6. Máquina de soldadura SMAW.7. Placa Psoc para el control del ballbot.8. Banco de baterías para la alimentación.9. Componentes electrónicos pasivos (resistencias, capacitores).10. Giroscopios.11. Acelerómetros.12. Motores DC.13. Ruedas de acople para motor.14. Hub universal rueda­motor.

Recursos Financieros: En esta clasificación se toma en cuenta el presupuesto necesario para el desarrollo del proyecto. Por su importancia se dedicará una sección aparte para este rubro.

Presupuesto

Cotización y dispositivos requeridos para su construcción

Parte Descripción Cantidad CostoGY­521 6DOF MPU6050 Module 3 Axis Gyroscope + Accelerometer for MWC Arduino

http://www.amazon.com/GY­521­MPU6050­Gyroscope­Accelerometer­Arduino/dp/B009M19L4Y/ref=sr_1_sc_3?s=electronics&ie=UTF8&qid=1393608022&sr=1­3­spell&keywords=giroscope 3

$6.8 por cada uno. Total: $20.4

Amico 24RPM DC 12V 4mm Shaft Geared Motor + Rubber Tire Wheel for DIY Robot

http://www.lynxmotion.com/p­186­gear­head­motor­12vdc­301­253rpm­6mm­shaft.aspx 3

$29.95 por cada uno. Total: 54.63

Universal Hub ­ 6mm (pair)

http://www.lynxmotion.com/p­114­universal­hub­6mm­pair.aspx 2

$7.65 por cada uno. Total: 15.3

Ant / Beetle Robot Tire -

http://www.lynxmotion.com/p­124­ant­beetle­robot­tire­213d­x­08w­pair.aspx 1 $15.75

2.13"D x 0.8"W (pair)Cable de conexión eléctrica 3m 250₡/mTornillos y Tuercas 40 xxxxxBalón de Balance 1 ₡5000

Requerimientos del sistema 1. Se pretende diseñar un robot lo suficientemente robusto para que, con un adecuado

control, pueda servir como un agente móvil funcional y con ello, se le pueda emplear en robótica de investigación en el ITCR.

2. Como mínimo, se espera que el sistema mida la posición angular con respecto al eje vertical y la velocidad de caída; mediciones que permiten un control medio adecuado para el problema de estabilización.

3. La construcción de la planta debe realizarse de forma tal que el prototipo sea liviano con la posibilidad de variar el peso, con sujeción no permanente que permita variar características como altura. Además, el soporte de la planta no debe superar el diámetro mayor de la esfera que servirá de base, lo que permitirá no tener problemas con el acople esfera­planta. Mientras más maleable sea la planta , más fácil será el proceso de diseño del control pues ambos realimentarán la concepción del otro.

4. El control debe responder lo suficientemente rápido para evitar que el sistema se incline más de lo debido y que este logre estabilizar la planta con un error estacionario menor a 5° con respecto al eje vertical.

5. La esfera debe proporcionar una superficie que permita un poco de deslizamiento entre las ruedas de contacto, pero que también haga efectiva la transmisión del par producido por los motores a la esfera.

6. los soportes deben colocarse de manera que durante la transmisión del par, la planta no se caiga de la esfera. Por otra parte, estos deben estar alineados y en un mismo eje para que no haya pérdidas en el proceso de movimiento.

7. Los sensores deben proporcionar una medición veraz y fiel, para que el controlador pueda emitir sus juicios y proceder a ejecutarlos. Dentro de las posibilidades de la instrumentación, debe trabajarse en la zona lineal de este, con el propósito de simplificar su uso.

8. Debe poseer una plataforma para el banco de alimentación y otra para colocar el control, de modo que esta no interfiera o desbalancee la planta cuando se equilibre sobre la esfera.

Candidatos para diseño

Figura 1. Candidato 1 solución ballbot.

El prototipo de ballbot presentado en la figura 1 es un diseño desarrollado en la Universidad Autónoma de México. Este presenta la ventaja que por la disposición de sus ruedas posee un buen tiempo de respuesta en comparación con otros diseños que se presentarán más adelante. Además, por la posición de contacto con la rueda no es necesario ejercer un gran torque, situación que si se requiere en otros diseños. Su sistema de control basado en dos arduinos, un IMU (unidad de medición inercial) y un microcontrolador representan la culminación de varios procesos de desarrollo para lograr estabilizar este sistema; este diseño y arquitectura de control, si bien soluciona el problema, presenta como desventajas que la IMU acumula considerablemente el error, lo que es un factor importante y podría eventualmente complejizar el control; el uso de diferentes controladores hace que el sistema sea menos íntegro y este desacople genera en consecuencia la perturbación entre sistemas de control específico. Finalmente, el costo del desarrollo de este sistema es relativamente alto en comparación con otros, pues al integrar mejor el sistema se reduce el número de dispositivos y el sistema, aunque con diferentes requerimientos, podría realizar su trabajo adecuadamente.

Figura 2. Candidato 2 solución ballbot.

Esta configuración es mecánicamente más sencilla que la anterior, sin embargo presenta el inconveniente que el torque a ser ejercido por los motores debe ser mayor, ya que este torque debe contrarrestar a mayor escala la inercia del cuerpo en caída, mientras que en el candidato 1 al encontrarse en la parte superior del balón de equilibrio, la inercia del cuerpo no lo afecta tanto. En comparación con el sistema de control anterior, este es un poco más sencillo y su respuesta es menor al anterior ya que la constitución de la IMU, si este dispositivo es bien empleado, le permite responder mucho más rápido. Este sistema posee un control íntegro el cual toma cuatro mediciones distintas, las cuales son procesadas por un solo microcontrolador para dar respuesta al problema de estabilidad del sistema. El único problema de este desarrollo, es su tamaño y cantidad de par necesario para estabilizar su posición; podríamos hablar también de un mayor tiempo de respuesta, debido a que la medición de velocidad de caída no es tan adecuada como sí lo es la medición de la aceleración de la caída. En términos de costos, este sistema solo cuenta con un microcontrolador para el control y dos giroscopios con velocímetro, situación que hace bastante simple el diseño y viable su construcción.

Especificaciones

MecánicaPara una correcta realización e implementación de este proyecto, su estructura mecánica debe cumplir con varios requerimientos:

1. Bajo Peso.2. Espacio para la colocación de los componentes de control.3. Debe presentar una geometría que permita la colocación del centro de masa del cuerpo

en un punto donde su efecto en la inercia sea favorable para la estabilización del ballbot.

4. Debe presentar facilidad de ensamble y desensamble, con lo cual sea sencillo realizar acciones correctivas en caso de alguna eventualidad no prevista.

5. Debe permitir una fácil instalación de los sensores para que estos puedan realizar las mediciones de posición de la manera más fiable posible.

6. Viable económicamente.

Control1. En el desarrollo de un control, sea continuo o discreto, el hardware empleado para

recibir, procesar y emitir las señales debe tener un alto tiempo de respuesta, pues el péndulo invertido por naturaleza es un sistema inestable, lo cual hace que algunos hardware no cumplan con esto.

2. Por otra parte el microcontrolador debe tener las suficientes salidas para responder a las necesidades de sistema, así como tener los debidos protocolos de compatibilidad para su posterior conexión con los sensores y actuadores a emplear en el proceso.

3. En caso de no cumplir con la potencia requerida para alimentar los actuadores, debe ser susceptible al uso de interfaces con los dispositivos externos.

4. El control debe satisfacer un ángulo de error menor a 5°.5. Viable económicamente.

BlibiografíaFrankhauser, P. & Gwerder, C. (2010). Modelado y control de un Ballbot Recuperado el 22 de Marzo

del 2014, de http://e­collection.library.ethz.ch/eserv/eth:7943/eth­ 7943­01.pdf

García nathan, T. & Minami shiguematsu, Y. (2012). DISEÑO, CONSTRUCCIÓN EN Y CONTROL

DE 'ESTABILIDAD DE UN ROBOT QUE SE Balance del SOBRE UNA ESFERA Recuperado

el 22 de Marzo del 2014, de

http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2920/ ? secuencia

tesis.pdf = 1

Gutiérrez gasper, J. & Espinoza mendoza, J. (2014). EQUILIBRIO DINÁMICO EN TIEMPO REAL

DE UN ROBOT TIPO BALLBOT Recuperado el 23 de Marzo del 2014, de

http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/3100/Equilibrio%20di

n%C3%A1mico%20en%20tiempo%20real%20de%20un%20robot%20tipo%20ballbot%20final.pd

f?sequence=1

Kumagai, M. & Ochiai, T. (2009, 29 de Septiembre). Desarrollo de un robot de equilibrio sobre una

pelota Recuperado el 22 de Marzo del 2014, de

https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CDgQFjAB&url

=http%3A%2F%2Fwww.fujipress.jp%2Ffinder%2Fpreview_download.php%3Fpdf_filename%3D

PRE_ROBOT002200030013.pdf%26frompage%3Dabst_page%26pid%3D%26lang%3DEnglish

&ei=isktU727CIO20gGC­YCQBg&usg=AFQjCNHb1JsglAdkp5jV4ZxorHK1GI­pyw&sig2=ezgwka

W4sFSiLOSlGsKfjw

Lauwers, T. Kantor, G. & Hollis, R. (2006, 15 de Mayo). Dynamical robot móvil de una sola ruedas

estable con la unidad del ratón­ball inversa Recuperado el 22 de Marzo del 2014, de http://z2.

ifrm.com/10716/53/0/p1023978/10.1.1.71.1149.pdf

Nagarajan, U., Manpetta, A., Kantor, G. & Hollis, R. (2009, 12 de Mayo). Transición del Estado,

Equilibrio, Estación de Mantenimiento y control de desvío para una dinámica estable Individual

esférica rueda Móvil Robot Recuperado el 22 de Marzo del 2014, de

http://www.msl.ri.cmu.edu/publications/pdfs/BallbotTransition_ICRA._2009.pdf