Diseño y Construcción del prototipo mecánico de un robot de limpieza doméstico

Ramón Pernia Grillo

Ingeniero Técnico Industrial, Especialidad Mecánica

Proyecto dirigido por: Jordi Palacín Roca

Departamento de Informática e Ingeniería Industrial, Universidad de Lleida

e-mail: palacin@diei.udl.es e-mail: perniagrillo@hotmail.com web: http://robotica.udl.es

Resumen El objetivo del proyecto es el diseño y construcción de un prototipo mecánico de robot doméstico para la limpieza del suelo. El robot dispondrá de dos ruedas motrices colocadas en el eje central del robot y dispondrá de un sistema de detección de colisiones mediante sensores de ultrasonidos. El proyecto es una continuación de los prototipos realizados por el Grupo de Robótica de la Universidad de Lleida (UdL).

1. Introducción El ámbito doméstico existen tareas tediosas y repetitivas, como la limpieza, que son un campo de aplicación directo para la robótica. Dentro de los robots domésticos actualmente podemos encontrar modelos que limpian el suelo de oficinas, limpian el fondo de las piscinas y cortan el césped del jardín. Actualmente pueden encontrar se en el mercado robots que realizan la limpieza del suelo (fig. 1) y lo que se pretende en este trabajo es realizar una evolución de los diseños realizados en el Grupo de Robótica de la UdL [1].

Fig. 1. Roomba (derecha) y RC3000 (izquierda).

Los robots de limpieza domésticos deben ser totalmente autónomos. Para realizar la limpieza las técnicas más utilizadas son la aspiración y el cepillado del suelo. La navegación entre obstáculos se realiza detectando mecánicamente las colisiones con los objetos o utilizando sensores para evitar dichas colisiones. En el Grupo de Robótica se han realizado diferentes prototipos de robots de limpieza [2] y en este proyecto se pretende resumir la experiencia acumulada en un nuevo diseño preparado para una posible fabricación industrial.

2. Estudio de alternativas de diseño El estudio de alternativas de diseño comprende el estudio previo de todas las partes mecánicas y parámetros que forman parte del robot para así poder encauzar una solución

de diseño lo más correcta y adecuada. Los puntos que se han estudiado son los siguientes:

1. Situación del cepillo en el robot,

2. Estudio de los motores utilizados,

3. Ubicación de los motores,

4. Dimensiones y características de la rueda, y tipo de transmisión del movimiento entre el motor y las ruedas,

5. Tipo y ubicación de la batería,

6. Clase y ubicación de un tercer punto de apoyo.

3. Descripción del diseño El diseño final del robot se ha realizado en Pro/Engineer [3, 4] y consta de cuatro partes principales. La primera es la parte superior del prototipo, que es la encargada de dar consistencia y rigidez al robot. La segunda es la parte delantera, proporciona protección al robot y se encargada de albergar el sistema de detección de colisiones electrónico. La tercera es el conjunto cepillo, encargado de realizar la acción de limpieza del suelo, que se consigue mediante un movimiento de rotación del eje del cepillo y de las cerdas (fig. 2).

Fig. 2. Conjunto cepillo del prototipo “explosionado”.

Las partes más relevantes en el conjunto cepillo son: el cepillo, encargado de la acción de limpieza, y el conjunto recogedor, encargado de actuar como almacén de la suciedad recogida. El conjunto recogedor también alberga

Conjunto Recogedor

Cepillo

el tercer punto de apoyo, basado en una bola transportadora autolimpiable, que proporcionara estabilidad al robot.

La última de las partes del robot es la motriz, que es la encargada de desplazar y dirigir al robot. El diseño final realizado se muestra en la figura 3.

Fig. 3. Diseño del robot

Otra de las partes importantes del robot es su motricidad, que se consigue mediante dos moto-reductores de CC colocados en el eje central del robot y unidos a él mediante una estructura de aluminio (fig. 4) que a su vez evita problemas de pandeo en el robot.

Fig. 4. Motores Robot de Limpieza

4. Proceso de construcción del prototipo Una vez diseñadas todas y cada una de las piezas que componen el prototipo, se ha pasado a la fase de montaje. En primer lugar se ha construido el conjunto cepillo aprovechando el conjunto existente en la escoba eléctrica de Kärcher (fig. 5, izquierda). A continuación se construyó el conjunto motores batería, y se montó en el prototipo (fig. 5, centro). La última etapa consistió en la construcción de la parte delantera del robot obteniendo el diseño final del robot de limpieza doméstico (fig. 5, derecha).

Fig. 5. Imágenes del proceso de construcción del prototipo

5. Implementación en moldes del prototipo Una vez se han obtenido el prototipo de robot móvil de limpieza; la siguiente fase sería el diseño y fabricación de la versión definitiva del robot con una estructura basada en elementos plásticos. Uno de los sub-objetivos del trabajo ha consistido en la recopilación de información práctica (puntos débiles de la estructura, unión de piezas, etc.) para facilitar esta posibilidad.

6. Conclusiones La principal conclusión es que se han podido construir un prototipo de robot de limpieza que cumplen con todos los requerimientos que se le habían impuesto. En la tabla 1 se muestran los datos técnicos del robot y la figura 6 muestra es aspecto final del robot construido.

Parámetros Prototipo Resultado

Diámetro robot Ø 340mm

Altura robot 100.1mm

Peso robot 3Kg

Autonomía estimada 1.2h

Velocidad del robot 0.166m/s

Tabla 1. Datos técnicos del robot móvil de limpieza

Fig. 6. Prototipo de robot de Limpieza construido.

7. Agradecimientos Agradecer a Joan Roca por su ayuda en el dominio del programa Proengineer, a Ricard Vicente por su colaboración el la fabricación de las piezas en aluminio, a Adolf Izquierdo por sus consejos sobre ubicación de los futuros circuitos electrónicos y muy especialmente a Ignasi Valgañón su colaboración en la etapa de construcción del robot y a Jordi Palacin por la dirección del proyecto realizada.

Referencias [1] J. Palacin, J. A. Salse, I. Valgañon, X. Clua, “Building a

Mobile Robot for a Floor-Cleaning Operation in Domestic Environments”. Proceedings of the 20th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference (IMTC 2003), pp. 1391-1396, Vail, USA, May 2003.

[2] Grupo de Robótica de la UdL: http:\\robotica.udl.es

[3] Introducción a Pro/ENGINEER versión 2000 i2 T072-310-01-ES.

[4] Nuria Aleixos, Manuel Contero, Ferran Naya, Ana Piquer. “Introducción al modelado con pro/Engineer Dep. de Expresión Gráfica en la Ingeniería, Universidad Politécnica de Valencia (U.P.V).