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La Mecatrónica en México

Comité Editorial de la Revista

Diseño Gráfico Mónica Vázquez Guerrero

Kikey Stephanie Méndez Sánchez Alejandra Miguel Vargas Mandujano

Vinculación Luis Alberto Aguilar Bautista Luis Antonio Salazar Licea

Miguel Ángel Bacilio Rodríguez

Revisión de Formato Rodrigo Escobar Díaz-Guerrero

Conrado Vargas Cabrera Alejandro de León Cuevas Ángel Juárez Buenrostro

Soporte Técnico Carlos Alberto Ramos Arreguín

Juan Carlos Moya Morales Ma. Del Carmen García López

Ubaldo Geovanni Villaseñor Carrillo

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LA MECATRÓNICA EN MÉXICO, Año 2, No. 3, Septiembre - Diciembre 2013, es una publicación cuatrimestral editada por la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., Calle Fonología No. 116, Col. Tecnológico C.P. 76158, Querétaro Qro. Tel.(01- 442) 224 0257. www.mecamex.net/revistas/LMEM/ , Editores responsables: Juan Manuel Ramos Arreguín y José Emilio Vargas Soto. Reserva de Derechos al uso exclusivo No. 04-2013-112111581700-01 otorgado por el Instituto Nacional de Derechos de Autor. Responsable de la última actualización este número: Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C., José Emilio Vargas Soto, Calle Fonología No. 116, Col. Tecnológico C.P. 76158, Querétaro Qro. Fecha de terminación de impresión: 20 de Agosto del 2013. Las opiniones expresadas por los autores de los artículos no reflejan la postura de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. Esta revista es una publicación de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., la cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre y cuando los trabajos estén apropiadamente citados, respetando la autoría de las personas que realizaron los artículos.

PROLOGO

Es un placer presentar esta cuarta edición de la revista La Mecatrónica en

México. Los artículos seleccionados para esta ocasión muestran el grado de avance en cuanto a diseño de sistemas mecatrónicos y su integración

La Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. hace un esfuerzo extraordinario para continuar apoyando de forma gratuita la difusión de los trabajos que se presentan en esta edición, a fin de continuar contribuyendo en la formación intelectual de la comunidad académica interesada en la Mecatrónica.

A un año de la creación de la revista, nos llena de alegría a todos los que participamos en este proyecto editorial la estupenda respuesta que hemos logrado en la Comunidad Académica. No solo con la participación de artículos, sino también con sugerencias y temas que poco a poco se irán abordando. Una mención especial a nuestros lectores, que cada día son más, y esperamos seguir contando con sus lecturas y participaciones.

Como siempre, confío en que la información aquí presentada permita a nuestros lectores aventurarse en el conocimiento y la comprensión de las tecnologías afines a la Mecatrónica. Para así seguir contribuir en mejorar las condiciones de productos, procesos o servicios, que faciliten y mejoren nuestra vida y de quienes nos rodean.

Dr. José Emilio Vargas Soto Fundador Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.

ÍNDICE

Sistema Mecatrónico de Instrumentación para Fotoluminiscencia Díaz de León Zapata Ramón y Jasso Aranda José Cruz.

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Investigación de Diseño de un Actuador de Doble Efecto Rotativo Vargas Hermo Carlos Enrique y Juárez Campos Ignacio.

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Simulación y Control de un Sistema Mecatrónico Aplicando Diseño Asistido por Computadora Carro Suárez Jorge, Flores Nava Irma, Flores Salazar Fabiola

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Integración de Tecnologías para el Desarrollo de unSistema de Robótica de Rescate Galíndez-Olascoaga Laura-Isabel, Balderas-Hill Rafael, Delbouis-Fuentes Sergio, Herrera Katia, Sánchez-Hernández Carlos-Sebastián, Flores-García Erick, Aceves-López Alejandro y Carbajal-Fernández Cuauhtémoc

99

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 3, páginas 77 - 81, Septiembre 2013. Disponible en línea en www.mecamex.net/revistas/LMEM

ISSN en trámite, 2013 Derechos de autor y derechos conexos, Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.

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Sistema Mecatrónico de Instrumentación para Fotoluminiscencia

Díaz de León Zapata Ramón y Jasso Aranda José Cruz.

Instituto Tecnológico de San Luis Potosí Av. Tecnológico S/N, Soledad de Graciano Sánchez, San Luis Potosí, S.L.P.

Resumen

Se presenta el trabajo de implementación y automatización de un sistema de fotoluminiscencia utilizando la plataforma de programación LabView (marca registrada de National Instruments) para el control de los equipos de medición y los actuadores correspondientes con interfaz de hardware ad-hoc por medio de un PIC18F4550.

Palabras clave: Fotónica, Fotoluminiscencia, Espectroscopía, instrumentación, automatización.

1. Introducción

Prácticamente todos los materiales son capaces de emitir fotones (luz) cuando se les hace incidir sobre su superficie una luz láser. Tal emisión de fotones es propia de cada material y su análisis nos permite conocer la composición química y en nuestro caso particular, la estructura física de algunos sólidos (caracterización espectroscópica por fotoluminiscencia, PL por sus siglas en inglés)[1] con el fin de conocer sus propiedades ópticas para la posterior construcción de estructuras láser con semiconductores.

Si bien existen otras técnicas de caracterización óptica, como la Fotoreflectancia y Fotoreflectancia Diferencial[2] entre otras, los requerimientos de los experimentos que se pretenden llevar a cabo exigen únicamente la técnica de PL.

Cabe mencionar que las estructuras laser tienen en la actualidad una enorme importancia y potencial de mercado debido a sus múltiples aplicaciones, entre las que figuran las telecomunicaciones, medicina (cirugía oftálmica y tratamientos de la piel entre otros) instrumentos de medición, entretenimiento (reproductores de CD-DVD)[2] etc.

Para llevar a cabo estos análisis de PL, se precisa el manejo de equipo de medición y control que, si bien pueden operar manualmente, resulta más conveniente su realización de manera automática, además de aprovechar el potencial de las computadoras más recientes y el apoyo de la programación visual para darle valor agregado, como análisis de datos a la par de la medición, comparaciones con datos previos y su almacenamiento con formatos enriquecidos.

2. El Sistema de Fotoluminiscencia.

El sistema de fotoluminiscencia[2] (Figura 1) consta de: a) Un “dedo frio”. Se trata de un soporte para un par de tubos concéntricos en medio de los

cuales se aplica ultra alto vacío con ayuda de una bomba mecánica-turbo molecular para que mantenga una temperatura muy baja (aproximadamente 77 K) y evitar la condensación en la ventana debida a la diferencia de temperatura con el exterior. El enfriamiento se logra al llenar con nitrógeno líquido el tubo de diámetro más pequeño.

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 3, Septiembre 2013. Sistema Mecatrónico de Instrumentación para Fotoluminiscencia.

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b) Un laser de alta potencia para provocar la excitación de los electrones en el material a estudiar y su consecuente emisión de fotones.

c) Algunas lentes especiales que filtran señales ópticas no deseadas y otras que ayudan a concentrar la emisión en un haz puntual de fotones.

d) Un “Chopper” o sistema de estrobo que permite conocer la frecuencia exacta con la que se está emitiendo la luz laser para evitar el ruido en las lecturas.

e) Un “monocromador” o sistema capaz de descomponer la luz recibida en sus respectivas longitudes de onda, donde será evidente que el color característico del objeto será el que genere una lectura de mayor amplitud en la medición.

f) Un fotodetector, que amplifica la señal óptica para que pueda ser leída por el instrumento de medición.

g) Un “lock-in” o instrumento de medición capaz de realizar mediciones de alta precisión y de intensidades muy bajas de la señal a medir (misma que proviene del fotodetector), además de tomar la referencia del “chopper” para evitar lecturas que no estén relacionadas con la emisión de la muestra (elimina lecturas de ruido ambiente).

Figura 1. Sistema de Fotoluminiscencia.

Una medición típica consiste en que, una vez que el laser (independientemente del color de éste) incide sobre la superficie de la muestra, ésta emite en un rango específico de longitudes de onda, todas simultáneamente y son recolectadas estas emisiones dispersas a través de una lente colimadora que las direcciona puntualmente hacia el “monocromador”; éste descompone ese haz emitido por la muestra en todas las longitudes de onda de que el instrumento sea capaz, o en el rango de nuestro interés a través del accionamiento manual de una perilla o por el control de un motor a pasos desde una computadora. Por cada movimiento que realiza el motor a pasos, se avanza en una fracción de la longitud de onda o en el rango que el usuario desee analizar y es retransmitida hacia la salida del instrumento, donde se ha colocado el “fotodetector”, el cual convierte la señal óptica (de luz) en señal eléctrica (voltaje) que es a su vez entregada al “lock-in” que se encarga de tomar la lectura del voltaje únicamente cuando ésta señal coincide con la del “chopper” y además la convierte en caracteres que son transmitidos vía serial a un equipo de cómputo cuando éste se lo solicita. Adicionalmente la computadora al recibir el dato lo grafica y almacena para su análisis posterior o in situ.


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2.1 El hardware y los periféricos.

La primera etapa consiste en automatizar el monocromador, para lo cual se le ha adaptado un motor a pasos con su respectiva electrónica de control, misma que ha sido aprovechada para construirle un puerto serial por USB embebido y que pueda ser conectado a cualquier sistema de cómputo (en nuestro caso una computadora portátil) que cuente con este tipo de puerto. Fue utilizado un microprocesador PIC18F4550 para interfaz de hardware y responde a un típico protocolo serial RS232C, en el cual la computadora le envía la cantidad de pasos que debe dar el motor y el sentido de giro.

La programación del PIC18F4550 se desarrollo enteramente en lenguaje C sobre la plataforma de desarrollo MPLAB de la empresa Microchip.

Se requiere además otro control por puerto serial para el instrumento de medición (lock-in), para lo cual fue utilizado un cable comercial convertidor USB-Serial RS232C.

Cabe resaltar que el proyecto de interfaz[3] con el PIC18F4550 es en sí mismo todo un proyecto que además resalta la ventaja de no depender de ninguna interfaz de hardware propietaria, sin embargo no se ahonda en detalles de este sub proyecto por cuestiones meramente de espacio.

2.2 El software (interfaz humano-máquina).

En la actualidad, se requiere el desarrollo de aplicaciones profesionales estables y eficientes con tiempos de diseño e implementación muy reducidos, razón por la cual se ha decidido utilizar la plataforma de programación visual para interfaces humano-máquina desarrollado por National Instruments[4].

En las Figuras 2 y 3 se aprecian, respectivamente, la pantalla para el usuario y un fragmento de la pantalla del programa, donde se puede apreciar, además, que el código escrito es prácticamente nulo, ya que la programación en sí se realiza con la correcta asociación de los iconos y sus terminales a manera de “alambres”.

Figura 1. Pantalla de usuario del software de control del sistema de fotoluminiscencia.

Figura 1. Segmento del código fuente del control del sistema de fotoluminiscencia.

Como suele (y de hecho debe) hacerse en la programación visual, se comienza por el diseño de la interfaz de usuario y a partir de ahí se continúa con la programación de cada “control” colocado en pantalla, la ventaja de LabView consiste en que cada control colocado en pantalla está


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representado por un pequeño dibujo con terminales, de éste modo son mínimas las cosas que hay que escribir como código, y de ser necesario, se realizan en lenguaje C, que se ha convertido prácticamente en un estándar en la programación. Es pertinente mencionar también, que existe la posibilidad de crear controles personalizados si es que no hubiera uno que satisfaga nuestras necesidades y la programación de estos objetos completamente personalizados se realiza con programación orientada a objetos y ya no sería con programación visual, aunque esos casos suelen ser remotos.

Dadas las características de espacio para la escritura del presente artículo resulta inapropiado colocar el algoritmo completo o cada pantalla de diseño del programa (por ser eminentemente visual) sin embargo dejo a disposición del lector, un correo electrónico donde pueden solicitar la información adicional si así lo requieren: [email protected].

2.3 Implementación y uso.

Con el fin de apreciar de manera global el proceso completo de una medición de fotoluminiscencia y, por ende el funcionamiento del sistema propuesto, se presenta en la figura 4 el diagrama general de flujo correspondiente. Existe el manejo de interrupciones que no se anexa, pero cuya función se avoca a posibles errores y su adecuado manejo y avisos al usuario durante la ejecución de las mediciones.

La fase de implementación y prueba se realizó en el laboratorio de fotoluminiscencia del Instituto de Investigación en Comunicación Óptica (IICO) de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí con el objetivo de localizar y calcular las dimensiones de un pozo cuántico construido en un sustrato de silicio (Si 100) donde le fue depositada una capa de aluminio-galio-arsénico (AlGaAs)[5]. Las fotoemisiones de la muestra se aprecian en la figura 5, donde el uso del programa ha demostrado su utilidad, sencillez de operación incremento en la velocidad y precisión de las mediciones al suprimirse el error humano en el control manual del equipo.

Figura 5. Fotoluminiscencia de un pozo cuántico de AlGaAs sobre un sustrato de silicio. Figura. 4. Diagrama de flujo del proceso de

medición de fotoluminiscencia.


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3. Conclusiones.

Es significativamente apreciable la sencillez con la que el usuario es capaz de realizar una medición de fotoluminiscencia, donde sólo se requieren los conocimientos básicos de computación. Así también, el presente programa y el hardware asociado han contribuido a optimizar el tiempo invertido en las mediciones, así como poder llevar éstas a cabo sin intervención humana alguna, además de facilitar la lectura e incluso análisis de los datos mientras se está llevando a cabo una medición.

Si bien los procesos de automatización parecieran ser triviales, son escasos los esfuerzos por realizarlos cuando al parecer las cosas así han funcionado por años, es por ello que se hace una atenta invitación a involucrarse a fondo con la actualización de sistemas automáticos a las nuevas plataformas de programación y control, así como automatizar equipos que, si bien pudieran ser relativamente viejos, sus funciones siguen siendo óptimas, por lo que se evitan gastos innecesarios y a la vez se moderniza el proceso de captura de información en los experimentos que, lejos de ser un maquillaje que embellezca la pantalla de la computadora, son en realidad más herramientas para que las investigaciones arrojen resultados interesantes invirtiendo ese tiempo que se perdía en el análisis manual de los datos.

Como nota final, se hace mención de que previo a la presente automatización, las mediciones realizadas se almacenaban y no era posible ver el avance sino hasta que se terminaba la medición, además de que la representación gráfica se realizaba con ayuda de un software externo e independiente al sistema, como puede ser EXCEL de Microsoft u Origin Lab de MicroCal, lo que implicaba tediosos e innecesarios pasos adicionales.

4. Perspectivas futuras.

El presente trabajo es únicamente una implementación funcional que resuelve y supera las expectativas de control de fotoluminiscencia, sin embargo, existen muchas oportunidades de mejora que se irán aplicando conforme los usuarios manifiesten nuevas inquietudes susceptibles de ser adicionadas al programa, así como la intensión de extrapolar lo aquí expuesto para que sirva en los experimentos de reflectancia diferencial, donde el principio de funcionamiento es similar, pero requiere un aparato más de control denominado “modulador fotoelástico” que puede ser controlado también desde la computadora.

Referencias.

[1] Lara V. I. “Crecimiento y caracterización óptica de películas semiconductoras III-V y su aplicación a la fabricación de láseres semiconductores”, Tesis Doctoral, IICO-UASLP, páginas 34 y 35, 2007.

[2] Gonzalez F. J. “Crecimiento y caracterización de estructuras láser basadas en InGaAs”, Tesis Maestría, IICO-UASLP, 2008.

[3] PICDEM FS USB Demonstration Board User’s Guide, Microchip Technology Inc., 2008



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Investigación de Diseño de un Actuador de Doble Efecto Rotativo

Vargas Hermo Carlos Enrique y Juárez Campos Ignacio.

División de Estudios de Posgrado, Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Teléfono (+52) (443) 322 3500, Avenida Francisco J.

Mujica S/N Ciudad Universitaria, C.P. 58030, Morelia, Michoacán, México.

Resumen

En disposición de realizar un actuador novedoso en comparación con los existentes;

aprovechando el buen rendimiento de los actuadores lineales, se propone el diseño de un actuador de

doble efecto rotativo para obtener dos tipos de movimiento. Este trabajo investiga el comportamiento

dinámico de un nuevo modelo de actuador, el cual transforma el movimiento lineal en un movimiento

de rotación. El diseño del actuador se basa en un cilindro de doble efecto que desplaza un émbolo,

éste a su vez unido a un elemento de rotación por medio de un sistema de barras, genera un

desplazamiento angular en el actuador. Específicamente este artículo se centra en las características

del movimiento del émbolo (movimiento lineal), el rotor (movimiento de rotación) y las conexiones

entre ellos; obteniendo con la simulación del sistema, el tipo de unión que debe existir para generar el

comportamiento deseado, así como las limitantes del mismo.

Palabras claves: Actuador, actuador lineal, actuador rotativo, cambio de movimiento, cilindro doble efecto, dinámica.

1. Introducción

Un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico [1]. Dependiendo del origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico” [1].

Los actuadores se utilizan en una gran gama de campos, tanto en robótica, sistemas tele-operados, prótesis etc. [2,3,4]. Este tipo de proyectos requieren un sistema de actuación con características específicas, las cuales son obtenidas con la unión de varios tipos de actuadores en la mayoría de los casos. El diseño de nuevos actuadores que resuelvan de manera individual el comportamiento de un proyecto, abre un potencial de opciones a elegir en la industria moderna [5,6,7]. Dentro de los actuadores para nuestro interés existen dos: cilindro de doble efecto y actuador rotativo [1]; ya que la unión de éstos representa el diseño del actuador estudiado en este trabajo.

1.1 Nomenclatura

La Mecatrónica en México, Vol. 4, No. 1, Septiembre 2013. Investigación de Diseño de un Actuador de Doble Efecto Rotativo.

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1.2 Diseño del actuador

La unión de el cilindro de doble efecto y un actuador rotativo, da como resultado el actuador presentado en este artículo, la conjunción de dos tipos de actuadores en uno, con lleva un trabajo especial en el elemento que une a cada una de las partes, es decir, el sistema de barras entre el émbolo que se desplaza linealmente y el rotor donde se genera el movimiento angular. El diseño del actuador se puede apreciar en la Figura 1.

Figura 1. Diseño del actuador de doble efecto rotativo.

El diseño del actuador no tiene antecedentes similares, es decir, es novedoso y a su vez su aplicación no es específica; puede utilizarse en diferentes sistemas ya que es posible el aprovechamiento de los dos tipos de movimiento, lo que lo convierte en un actuador con mayor versatilidad que cualquier actuador con movimiento singular.

El comportamiento dinámico del actuador de doble efecto rotativo es gobernado por:

(1)

La ecuación (1) se obtiene de un análisis al diseño del sistema que se aprecia en la Figura2, donde se aprecia que la distancia entre los puntos A-A´ y la longitud del eslabón de conexión, se puede relacionar con la distancia m, por un triángulo rectángulo.

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Figura 2. Análisis matemático del actuador de doble efecto rotativo.

La proyección de los puntos C y A en la cara frontal del rotor nos permite relacionar la distancia m con el ángulo de desplazamiento �, y a su vez sustituir la primera relación obtenida, para así encontrar la ecuación gobernante de nuestro sistema mostrada en la ecuación (1).

Sin embargo, el análisis matemático no es suficiente para validar el diseño del proyecto, por lo cual la simulación del mecanismo es necesaria a fin de comprobar su funcionamiento así como sus limitantes.

2. Desarrollo

Ya que el propósito del trabajo es analizar el actuador en su comportamiento dinámico, es posible reducir su construcción dentro de la simulación, ya que la interpretación de resultados no involucra análisis de fuerzas, torque etc. Por lo que la simulación sólo incluirá la representación del émbolo, el rotor y una barra de conexión, aunque el diseño cuenta con cuatro barras; ya que con un solo eslabón de conexión es posible simular el comportamiento a analizar en este trabajo.

Para su simulación se utiliza la plataforma de Ansys Workbench. En primer lugar se construye la geometría del proyecto, como se mencionó anteriormente sólo construiremos una parte del diseño para analizar la dinámica del actuador, la geometría se puede observar en la Figura 3 [8].

Figura 3. Geometría del proyecto.


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En la Figura 3 se aprecia que en el diseño de la simulación encontramos cuatro elementos (rotor, émbolo, barra de conexión y cilindro base), éstos son suficientes para observar el movimiento de nuestro sistema.

La construcción de la geometría envuelve las dimensiones con las que se pretende construir físicamente el actuador, estas dimensiones están basadas en un cilindro de doble efecto de 126 mm de longitud con una carrera de su vástago de 75 mm [9] y en los rodamientos que fungirán como el émbolo y el rotor que tienen 100 mm y 160 mm de radio exterior respectivamente; con estos elementos se construye la geometría del proyecto, estas medidas se encuentran en la Tabla 1.

ELEMENTO mm Radio exterior rotor 80 Radio interior rotor 40 Ancho de rotor Radio exterior émbolo

20 50

Radio interior émbolo Ancho de émbolo

40 20

Radio cilindro base 30 Longitud cilindro base 360 Longitud de barra de conexión Radio barra de conexión

248 4

Tabla 1. Dimensiones de la geometría del actuador

El cilindro base tiene medidas basadas en el grosor del vástago del cilindro de doble efecto [9], en el caso de esta simulación, sólo se utiliza para observar los movimientos del rotor y el émbolo.

Las medidas en el centro de la unión de la barra sobre el elemento rotativo, tiene coordenadas en el eje X de 40 mm y sobre el eje Y de 60 mm, generando un ángulo de desplazamiento de 33.70° con respecto a la vertical, la construcción de ésta se observa en la Figura 4.

Figura 4. Geometría de conexión en elemento rotativo

La unión de la barra al rotor, presenta una inclinación con respecto a la vertical tomando como referencia el cilindro base, esta inclinación facilita el movimiento de rotación deseado en el actuador (Figura 4).

Las conexiones necesarias para el análisis son 5: la conexión fija del cilindro base, que sirve a los demás elementos, para moverse en referencia al cilindro; la conexión de traslación (cilindro base-émbolo), que simula el desplazamiento lineal del actuador, la conexión rotacional (cilindro base-rotor), que permite un movimiento giratorio alrededor del cilindro base; estas conexiones se pueden apreciar en la Figura 5.


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Figura 5. Conexiones fija, de traslación y rotacional.

Las conexiones de traslación y rotación presentadas en la Figura 5 permiten el movimiento lineal y giratorio del actuador; sin embargo para lograr que por medio de un movimiento lineal se genere un movimiento angular, el tipo de conexión que debe tener la barra que une a los dos elementos (émbolo y rotor) es una de las partes esenciales del trabajo.

Si la conexión de la barra en cada una de sus uniones, no es la adecuada, el actuador no desarrollará el movimiento deseado; para obtenerlo, se prueban las diferentes conexiones que el software permite, siendo la única solución satisfactoria la conexión esférica en ambas uniones de la barra, las cuales se aprecian en la Figura 6.

Figura 6. Conexiones esféricas.

Las conexiones esféricas permiten un movimiento en los tres ejes coordinados y es esta particularidad la que permite el movimiento deseado en el actuador, sin esta propiedad el movimiento no es posible; este tipo de conexión debe existir en los dos extremos de la barra como se aprecia en la Figura 6.


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Para poder simular el actuador, se asigna movimiento al émbolo, para que éste se desplace de manera lineal con una velocidad constante; el movimiento del émbolo está limitado por las propiedades de la conexión antes asignadas, lo que permite observar el comportamiento del mecanismo.

3. Análisis de resultados

En un inicio se dan las condiciones del análisis, en la primer prueba damos como condiciones una duración de 5 segundos y sin limitaciones de movimiento, comprobando que el sistema funciona dinámicamente como se esperaba.

Sin embargo existe un detalle a considerar, debido a la geometría del proyecto, físicamente sería imposible el movimiento que se aprecia en la Figura 7, donde se puede observar que la barra de unión chocaría con el cilindro base limitando así el ángulo de desplazamiento del rotor.

Fig. 7. Análisis sin limitaciones

Físicamente el actuador tiene un ángulo de desplazamiento máximo, el cual es determinado al observar la tabla de avance que el software proporciona (Figura 9); concluyendo que el elemento rotativo debe estar limitado a un giro de 75° aprox imadamente, es decir, tomando como base la conexión de la barra, ésta se movería de su posición inicial de 33.7° a 108.7° con respecto a la vertical.

Con la finalidad de observar su comportamiento dinámico real, limitamos el movimiento en la conexión rotacional (cilindro base-rotor) que se observa en la Figura 8.

Figura 8. Análisis dinámico con limitación.


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Como se aprecia en la Figura 8 el máximo avance se muestra en diferentes perspectivas, apreciando que no existe contacto entre la barra y el cilindro base, comprobando que la limitación de nuestro actuador es la adecuada.

Las gráficas de movimiento de la unión rotacional se muestra en la Figura 9, en ésta podemos observar el desplazamiento rotacional en el tiempo.

Figura 9. Gráfica movimiento rotacional

La Figura 9 muestra que al principio del movimiento el cambio en la posición angular del rotor es muy pequeño; a medida que el émbolo se acerca al rotor el cambio de posición angular en el rotor es mayor, es decir, entre más cerca esté el émbolo del rotor, el ángulo de desplazamiento del actuador es mayor.

La dinámica del actuador también incluye los movimientos que realiza el sistema de barras. Para observar su funcionamiento colocamos en la geometría del diseño una pestaña en la barra de conexión y realizamos el análisis dinámico del actuador completo. El análisis con la pestaña podemos observarlo en la secuencia de imágenes mostradas en la Figura 10.

Figura 10. Dinámica barra de conexión.


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Como se observa en la Figura 10 las imágenes muestran en secuencia el movimiento del actuador, ésta permite observar que la pestaña agregada a la barra de conexión, gira en sentido anti horario sobre su propio eje horizontal; este movimiento descarta el cambio de diseño de una conexión tipo curva para evitar el contacto con el cilindro base.

4. Conclusiones

En este trabajo se determina que el cilindro de doble efecto rotativo es factible y que la dinámica del mismo es la deseada. El diseño del actuador permite, transformar un movimiento de traslación en una rotación. El cambio de movimiento se logra por medio del tipo de conexiones en el sistema de barras, las cuales deben tener libertad de movimiento en todas direcciones.

El diseño del actuador se encuentra limitado a un rango de movimiento angular, sin embargo variaciones en el ángulo de construcción en la unión hacia el elemento rotativo puede causar un aumento en su rango de movimiento, así como también la cercanía entre el émbolo y el rotor.

La dinámica con la que se comporta el sistema de barras, implica que entre más pequeño sea su radio de giro aumenta la posibilidad de que el actuador tenga un desplazamiento angular mayor.

Referencias

[1] Simarro, G., “Fundamentos de Hidráulica”. Ed. Grupo Editorial Universitario, España, Primera edición, 2006.

[2] Yudong , X. Yanjun, L. y Yong, W. “Dynamic Design of Electro-hydraulic Control Valve based on

Physical Simulation Model”. International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics, IEEE, pp. 388-391, China, 2009.

[3] Wells, D. Iversen, E. Davis, C. Jacobsen, S. “An investigation of hydraulic actuator performance

trade-offs using a generic model”, Center for Engineering Design University of Utah, IEEE, pp. 2168-2173, E.U., 2004

[4] Zhu, H. y Book, W., “Construction and Control of Massive Hydraulic Miniature-actuator-sensor

Array”, Proceedings of the 2006 IEEE Conference on Computer Aided Control Systems Design, IEEE, pp. 820-825, Munich, Germany, 2006.

[5] “Patent Application Publication, Pub. No.: US 2002/0083828 A1”

[6] “Patent Application Publication, Pub. No.: 3-924-519”

[7] “Patent Application Publication, Pub. No.: US 7/299,741 B2”

[8] ANSYS W, “Guía del usuario de ANSYS”, Ed. South pointe, E.U., Versión 12.1, 2009. [9] Parker, “Compact Hydraulics Cylinders Series CHE/CHD”, Parker Hannifin Corporation, E.U.,

2011.



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Simulación y Control de un Sistema Mecatrónico Aplicando Diseño Asistido por Computadora

Carro Suárez Jorge, Flores Nava Irma, Flores Salazar Fabiola

Universidad Politécnica de Tlaxcala Carrera de Ingeniería Mecatrónica

Av. Universidad Politécnica No.1 San Pedro Xalcatzingo Tepeyanco Tlaxcala [email protected]

Resumen

El proceso de diseño de un sistema mecatrónico consiste en usar tecnología que integre un sistema mecánico con uno de control a través de dispositivos capaces de tomar decisiones e interactuar con otros, sin embargo, antes de fabricar un prototipo, es necesario verificar que tanto la parte mecánica como la parte de control funcionen satisfactoriamente. En base a esto, el objetivo del presente trabajo fue diseñar un sistema de control aplicando Diseño Asistido por Computadora (CAD) para un equipo cortador de madera y así, simular en software su desempeño y garantizar su funcionamiento. El desarrollo consistió en diseñar con SolidWorks el cortador con todos sus aditamentos y por medio del toolkit SofMotion de LabVIEW elaborar la conexión entre ambos software y programar una rutina de corte. Los resultados obtenidos mostraron que la relación entra ambos programas fue satisfactoria al lograr la simulación de una rutina que implicaba tanto cortes lineales como circulares.

Palabras clave: Diseño, simulación, SolidWorks, LabVIEW.

1. Introducción

El constante avance del software y hardware en los últimos años ha cambiado la forma de comprender el concepto de Diseño Asistido por Computadora ya que actualmente se entiende como la integración de la parte mecánica con la parte de control [1]. Esto ha permitido que los profesionales relacionados a estas tecnologías mejoren su productividad y su calidad, de manera que puedan dedicar mayor tiempo a la mejora de sus diseños.

La aplicación de CAD en la ingeniería incluye la elaboración de diagramas de diversos tipos, representación normalizada de piezas para su diseño y fabricación, representación tridimensional de modelos dinámicos, análisis con elementos finitos, aplicaciones en realidad virtual, robótica, etc., por medio de software de alto nivel.

Una de las características generales que tiene un software de CAD es que permite el desarrollo de sistemas virtuales dentro de un entorno, permitiendo que el diseñador analice un sistema dinámico sin la necesidad de fabricar un prototipo.

Con base a lo anterior, en el presente trabajo se desarrolló una metodología para diseñar una interfaz entre dos software de reconocido nivel como son SolidWorks y LabVIEW para diseñar y simular el sistema de control de un equipo cortador para madera en un ambiente virtual que nos permita visualizar su desempeño antes pasar a una etapa de fabricación.

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 3, Septiembre 2013. Simulación y Control de un Sistema Mecatrónico Aplicando Diseño Asistido por Computadora. �

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Se inició con el diseño de la parte mecánica para posteriormente diseñar la interfaz de conexión y por medio de LabVIEW controlar el funcionamiento del sistema cortador desde el ambiente de SolidWorks, se elaboró la programación de una rutina de trabajo que incluyó tanto cortes rectos como circulares en base a un sistema de coordenadas para facilitar la entrada de datos y que el usuario tenga la opción de grabar sus configuraciones.

Al final, se presentan los resultados obtenidos y las conclusiones pertinentes, haciendo énfasis en la buena relación que se tuvo entre ambos software para realizar una programación fácil y sencilla acorde a las necesidades del diseñador.

2. Diseño Mecánico con SolidWorks

El diseño se divide en dos categorías: diseño de productos y diseño de sistemas o procesos [2]. Para el presente trabajo se consideró la segunda opción por lo que se inició con el diseño del modelo mecánico de un sistema cortador para madera. El modelo se dividió en dos parte principales, la primera fue el sistema de transporte, por lo que se seleccionó un sistema por bandas V, el cual, se presenta en CAD en la figura 1.

Figura 1. Sistema de transporte por bandas.

La segunda parte fue el sistema cortador, el cual está formado por dos ejes controlados por servomotores, la figura 2 presenta el diseño en CAD.

Figura 2. Base del sistema cortador.


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Para la ubicación de la pieza durante la etapa de corte se agregaron dos pistones neumáticos con bases corredizas, esto para facilitar el control si se tienen diferentes medidas de la pieza a cortar, además se montó un tercer pistón como control de tope durante el avance por las bandas. Las figuras 3 y 4 muestran la ubicación de los tres pistones en dos vistas diferentes.

Figura 3. Vista frontal de la base del cortador.

Figura 4. Vista lateral de la base del cortador.

En las figuras anteriores se observa al elemento cortador, cuyo desplazamiento es a través de dos ejes ortogonales; esta configuración facilitó el control, ya que se consideró por medio de un sistema de ejes coordenados. Por último, la figura 5 presenta el ensamble completo modelado en CAD.


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Figura 5. Sistema cortador completo y ensamblado.

3. Sistema de control con LabVIEW

LabVIEW es el acrónimo de Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench. Es un lenguaje y, a la vez, un entorno de programación gráfica en el que se pueden crear aplicaciones de una forma rápida y sencilla. Bajo este ambiente gráfico se diseñó la programación del controlador de movimiento, iniciando con la captura del proyecto, que es un fichero que contiene instrumentos virtuales (Vi´s), controles, ficheros de configuración, documentación o de cualquier otro tipo. En el proyecto se especifica el archivo de SolidWorks que se utilizará para el ambiente de simulación en CAD, se establecen los ejes de trabajo en los cuales se desarrollará movimiento que son el eje X y el eje Y de la base del cortador así como el eje Z que corresponde a la herramienta de corte. Los desplazamientos se especifican lineales, esto es a razón de que se realizará una conversión de movimiento circular del servomotor a movimiento lineal por medio de tornillo sinfín. El programa de control se especifica con extensión .vi que indica que es un instrumento virtual, en el cual se establecen dos desplazamientos lineales y uno circular (arc move), todo esto se muestra en la figura 6 que es la ventana del Project Explorer capturado para el presente trabajo [3].

Figura 6. Project Explorer del sistema cortador.


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La programación del controlador de movimiento es la parte principal del proyecto, ya que es el que actúa como el cerebro, calculando la trayectoria para cada movimiento especificado dentro del proceso de corte. Esto se realizó por medio del toolkit SofMotion for SolidWorks, que es una herramienta de LabVIEW que permite la integración de un modelo de control de movimiento con una simulación mecánica, generando un prototipo virtual que nos permite ajustar a detalle el desempeño del sistema diseñado en CAD.

SofMotion controla los movimientos previamente establecidos en el modelo en CAD, incluyendo también, si se requiere, detalles de gravedad, masa, colisión entre elementos y definición de trayectorias [4].

En base a lo anterior, desde el sistema CAD se definieron tres movimientos, que se configuraron en LabVIEW de la siguiente forma [5]:

• Movimiento coordinado de los ejes 1 y 3 (Coordinate Space 1) para el desplazamiento lineal de la herramienta de corte (Straight-Line Move).

• Movimiento lineal del eje 2 (Axis 2), que es el correspondiente al eje Z, para el avance vertical de la herramienta de corte (Straight-Line Move 1).

• Movimiento coordinado de los eje 1 y 3 (Coordinate Space 1) para el desplazamiento circular de la herramienta de corte (Arc Move).

En la figura 7 se muestra la parte del diagrama de bloques que contiene los tres tipos de movimientos programados.

Figura 7. Diagrama de bloques del controlador de movimiento.

La entrada de datos se realizó por medio de una matriz denominada DATOS, cuyos valores son coordenadas cartesianas, que se pueden llamar desde un archivo o capturar directamente desde un panel de control.

La figura 8 muestra el panel de control diseñado para la captura de datos de movimiento del cortador.


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Figura 8. Panel de control del sistema cortador.

4. Simulación y control del proceso de corte. Con el programa de control diseñado y el sistema cortador modelado en CAD, el siguiente paso fue determinar la trayectoria de corte que se debe seguir, para esto se consideró una pieza de madera con medidas de 300x300 mm de longitud y un espesor de 10 mm. La figura 9 muestra dicha pieza modelada en CAD.

Figura 9. Pieza de madera modelada en CAD.

La pieza requerida se muestra en la figura 10, mostrando el corte que debe llevar al centro.

Figura 10. Pieza de madera con el corte realizado.


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Para la captura de los datos de corte, se tomó como referencia el plano de diseño de la pieza, en él se especifican las coordenadas a seguir, tomando como punto base una de las esquinas.

La figura 11 muestra las medidas especificadas en milímetros para realizar el corte en un plano en 2D, indicando con claridad la longitud de los arcos y las dimensiones lineales respectivas [6].

Figura 11. Plano del corte de la pieza.

La ubicación de la esquina más cercana de la pieza con respecto al punto (0,0) de la base del cortador se encuentra a una distancia (50,100), por lo que estos valores se tomaron en cuenta al ingresar los datos en la matriz.

Con las referencias ya mencionadas, en la figura 12 se presentan los valores correspondientes a las coordenadas para el desplazamiento de los ejes X y Y, el desplazamiento Z del taladro, el radio del corte circular, su ángulo de inicio y los grados de desplazamiento.

Figura12. Matriz de datos para la trayectoria de corte.


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5. Análisis de resultados

Para el desarrollo de la simulación se desplegó el proyecto y se corrió el Vi con el programa capturado. En la figura 13, el cortador parte del punto (0,0) al punto de inicio, que es (200,355), tal como lo indica la línea de trazo.

Figura 13. Inicio de la rutina de corte.

La figura 14 muestra el resultado final de la secuencia de corte con la simulación concluida.

Figura 14. Resultado final.


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6. Conclusiones

Durante el desarrollo del presente trabajo se establecieron las siguientes conclusiones:

• El resultado obtenido fue satisfactorio, esto debido principalmente a la buena compatibilidad entre ambos software.

• La simulación por medio de un ambiente virtual presenta una gran ventaja al permitir identificar debilidades que pudieron ser corregidas antes de pensar en fabricar un prototipo.

• El programa es apropiado para rutinas que implican cortes rectos y circulares, quedando pendiente para trabajos futuros la programación de contornos con splines.

• Actualmente, el desarrollo de un proyecto de diseño no sólo incluye el uso de CAD o de Ingeniería Asistida por Computadora (CAE), la tendencia es también interactuar en un medio que nos permita visualizar su comportamiento bajo un sistema de control antes de pasar a su fabricación, de esta forma se optimizan recursos y tiempo, aspectos indispensables hoy en día para el ingeniero en un mundo con alta competitividad.

Referencias

[1] Rojas O., Rojas L., “Diseño asistido por computador”, Revista Diseño y Tecnología, 2006.

[2] Gómez S., “El gran libro de SolidWorks”, 1ª Edición, Marcombo Ediciones Técnicas, Barcelona 2008

[3] Lajara R., Pelegrí J., “LabVIEW Entorno Gráfico de Programación”, 2ª Edición, Marcombo-Alfaomega, México 2011.

[4] National Instruments, “Getting Started with NI SofMotion for SolidWorks”, National Instruments Corporation, U.S.A. 2009.

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Integración de Tecnologías para el Desarrollo de un Sistema de Robótica de Rescate

Galíndez-Olascoaga Laura-Isabel, Balderas-Hill Rafael, Delbouis-Fuentes Sergio, Herrera Katia, Sánchez-Hernández Carlos-Sebastián, Flores-García Erick, Aceves-

López Alejandro y Carbajal-Fernández Cuauhtémoc

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Carretera Lago de Guadalupe Km. 3.5, Atizapán de Zaragoza, Edo. De México.

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumen

Un robot de rescate es un robot diseñado específicamente para coadyuvar a la búsqueda y auxilio en caso de un siniestro. El siguiente artículo describe las características del robot de rescate Kauil. Su principal atributo es su integración funcional mediante el uso del meta-sistema operativo ROS (Robot Operating System), utilizado para el control y programación de todas las interfaces y algoritmos. Se detalla el funcionamiento de cada uno de los módulos que lo componen, tanto mecánicos, como de hardware y software. El robot se caracteriza por contar con una excelente capacidad de movilidad en terrenos agrestes y por el uso eficiente de la energía necesaria para alimentar los elementos funcionales del sistema. A partir de todos los estudios y procesos implicados se consiguió un sistema completamente funcional para ambientes de desastre en su modalidad teleoperada.

1. Introducción

La construcción de un robot móvil enfocado a las tareas de rescate surge de la necesidad de auxiliar e identificar víctimas en una zona de desastre. La función del robot consiste en explorar la zona de desastre, identificar sobrevivientes y su estado, evaluar el peligro de la situación, realizar un mapa de la zona, ubicarse dentro del mismo y ser capaz de enviarle la información al operador para que se pueda tomar una acción más rápida y eficaz, disminuyendo así el número de pérdidas humanas. La estructura de este artículo comienza con la descripción de un sistema mecánico, seguido de la descripción del funcionamiento de la electrónica para su locomoción y la arquitectura de software implicada en el sistema, para terminar con la integración de todos los elementos.

2. Sistema mecánico

Para cubrir las necesidades de movilidad a través de una zona agreste y donde se requiere de versatilidad para la evasión de obstáculos, se diseñó una estructura mecánica a base de aluminio, con las especificaciones geométricas y de transmisión de potencia pertinentes para el escenario planteado. La principal característica es que el robot tiene una articulación pasiva (flipper), es decir, no motorizada ni controlable de forma remota, que funge como enlace de dos orugas por cada lado del robot para conseguir una mejor estabilidad y evitar el balanceo al subir escaleras y al moverse a través de superficies irregulares.

Se implementaron los flippers en cada de una de las tracciones de tal manera que fueran

independientes y se pudiera tener una movilidad eficiente independientemente del lado en el que se atacaran los obstáculos, es decir, de frente, girando hacia el lado derecho o lado izquierdo.

Para el sistema de transmisión de potencia se diseñó un tren de engranes con una razón de transmisión de 8:1, la justificación fue que se planteó una pendiente de 45° como obstáculo de mayor

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. 3, Septiembre 2013. Integración de Tecnologías para el Desarrollo de un Sistema de Robótica de Rescate. �

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dificultad de movilidad, y mediante esta etapa de potencia se alcanzó el torque necesario para superarlo; los actuadores incorporados a este sistema mecánico son dos motores de corriente directa de 12 Volts a 10 Amperes acoplados a la entrada del tren de engranes definida mediante engranes de diente recto los cuales, como se muestra en la Fig. 1, están acoplados a un conjunto de dos engranes cónicos para cada una de las dos flechas de salida de transmisión [1].

Figura 1. Sistema de transmisión de potencia

Se tienen dos catarinas impulsoras, acopladas a las flechas de transmisión, que proporcionan el avance a las cadenas. Éstas aseguran la tracción mediante perfiles de neopreno insertados a cada uno de sus eslabones, con la finalidad de subir y escalar pendientes aumentando la fricción, evitando así el deslizamiento como se muestra en la Figura 2 [2].

Figura 2. Tracción con perfiles de neopreno que permite aumentar la fricción al contacto con el suelo

3. Arquitectura de software

ROS [10] es un meta-sistema operativo que provee herramientas y servicios propios de un sistema operativo con el fin de facilitar el desarrollo de aplicaciones robóticas. De igual manera incluye tipos de datos específicos. La estructura de comunicación de ROS consiste en una red de procesos de tipo peer-to-peer en donde la comunicación se lleva a cabo mediante el transporte de mensajes por medio de tópicos.

4. Sistemas electrónicos

El control de los motores de corriente directa se logra con el uso de dos puentes H de alta potencia cuyo modelo es MD03. Para la transmisión de datos entre el procesador central y las tarjetas controladoras de motores se utiliza el bus I2C.

Los algoritmos de control de los motores se programan y ejecutan en el procesador central que en el caso presente es una computadora portátil. El procesador central se comunica inalámbricamente a una estación de teleoperación. En la Figura 3 se explica cómo se logra el


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intercambio de información entre procesos, por lo cual se debe programar un publicador y un subscriptor. El subscriptor es un nodo que funciona de interfaz entre el procesador central y las tarjetas controladoras. Y el publicador es un nodo mediante el cual el usuario puede operar remotamente el movimiento del robot mediante el uso del teclado de su PC [3].

Figura 3. Interfaz de comunicación

El programa que funciona como driver envía cadena de hexadecimales que le indican a la interfaz I2C-USB y a las tarjetas controladoras qué dirección y velocidad se mandará a los motores. Enseguida se presentan la estructura de la cadena:

1. 0x57: Modo de operación I2C. 2. 0x01: Bit de inicio. 3. 0x32: Número de bytes de datos. 4. 0xB0/0xB2: Dirección del dispositivo. 5. 0x02/0x00: Registros de velocidad y dirección respectivamente. 6. Datos de velocidad (entre 0x00 y 0xFF) y datos de dirección (0x01 adelante y 0x02 atrás). 7. 0x03: Bit de paro.

En cuanto al suministro de energía de los motores de corriente directa de 12 Volts a 4 Amperes, se tienen dos baterías de polímero de litio de 3 celdas a 4000mAh conectadas en paralelo para cada uno de los actuadores. Es importante mencionar que se optó por utilizar este tipo de baterías debido a que permiten una mejor densidad de energía, logrando un funcionamiento más prolongado; la conexión en paralelo le brinda al sistema una mayor autonomía energética. Se implementó también un circuito con un diseño de filtros entre las baterías y los motores que sirviera como supresor de picos de corriente.

5. Odometría

El objetivo de la odometría es obtener la información sobre los cambios en la posición, velocidad y orientación del robot tomando en cuenta una referencia global. Cada par de orugas se encuentran acopladas a la misma flecha de transmisión correspondiente de cada tracción, por lo que para fines de análisis se aproxima el modelo cinemático del robot a un diferencial de dos ruedas como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Aproximación a modelo cinemático diferencial.

La Mecatrónica en México, Vol. 2, No. Integración de Tecnologías para el Desarrollo de un Sistema de Robótica de Rescate�

Luego se define que se utiliza un marco de referencsiempre su posición en el plano

Para recolectar la información necesaria se utilizacada uno de los rotores del motor. Los datos entregcada uno de ellos cada uno con un signo positivo o negatdesplazamiento. Posteriormente haciendo uso de la generados a metros desplazados por el móvil.

Donde�� es el desplazamiento lineal deseado, la relación de transmisión de los trenes de engrane(cantidad de pulsos de una revolución) y

tiempo dado. En esta ecuación,

encoder /desplazamiento lineal”). Por tanto el cálculo se reduce a

El cálculo de la ecuación 2 se realiza para ambas tlongitudes de arco se puede calcular la velocidad ecuación 3.

El diferencial de tiempo del oscilador de la computadora.

Una vez planteados los dos parámetros iniciales se principalmente bajo tres situaciones de movimiento:

1. Traslación lineal: Los dos motores

, No. 3, Septiembre 2013. Desarrollo de un Sistema de Robótica de Rescate.

��

Luego se define que se utiliza un marco de referencia global, en donde el robot conocerá siempre su posición en el plano XY con respecto al punto de inicio de todo su desplaza

Para recolectar la información necesaria se utilizaron encoders de cuadratura acoplados a cada uno de los rotores del motor. Los datos entregados por los encoders son el número de pulsos de

uno de ellos cada uno con un signo positivo o negativo dependiendo del sentido del desplazamiento. Posteriormente haciendo uso de la Ecuación 1 se obtiene la conversión de pulsos generados a metros desplazados por el móvil.[4]

� ��

� ��

es el desplazamiento lineal deseado, �� es el radio de la catarina, la relación de transmisión de los trenes de engranes, �� es la resolución del encoder (cantidad de pulsos de una revolución) y � � �� es la cantidad de pulsos contados en un

tiempo dado. En esta ecuación, ��

� � es conocido como ��

�

�� (factor de conversión “pulso

amiento lineal”). Por tanto el cálculo se reduce a la ecuación 2.

� � �� !

El cálculo de la ecuación 2 se realiza para ambas tracciones (SL

longitudes de arco se puede calcular la velocidad para cada una de las tracciones, descrito en la

" ��

#$�

El diferencial de tiempo dt se actualiza cada vez que el programa cicla usando la frecuencia de la computadora.

Una vez planteados los dos parámetros iniciales se considera que el robot se encuentra principalmente bajo tres situaciones de movimiento:

Traslación lineal: Los dos motores están encendidos como se muestra en la F

Figura 5. Traslación lineal del robot

ia global, en donde el robot conocerá con respecto al punto de inicio de todo su desplazamiento.

de cuadratura acoplados a son el número de pulsos de

ivo dependiendo del sentido del cuación 1 se obtiene la conversión de pulsos

(1)

es el radio de la catarina, � es es la resolución del encoder

es la cantidad de pulsos contados en un

(factor de conversión “pulso

la ecuación 2.

(2)

L y SR). A partir de las para cada una de las tracciones, descrito en la

(3)

cla usando la frecuencia

considera que el robot se encuentra

como se muestra en la Figura 5.


En la ecuación 4 se describe cómo se obtiene la velocidad del robot

En ambas situaciones cuando el robot se encuentra hla ecuación 5 para el cálculo de velocidad lineal

2. Rotaciones en su propio centro: los a direcciones contrarias como se muestra en la figu

Cuando el robot se encuentra rotando sobre su propi

Donde la longitud al eje sobre el cual gira el robo

3. Rotaciones en un eje diferente al centro del robot:encendido. Se muestra en la F


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se describe cómo se obtiene la velocidad del robot en esta situación

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En ambas situaciones cuando el robot se encuentra haciendo un movimiento angular se utiliza para el cálculo de velocidad lineal

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#$

Rotaciones en su propio centro: los dos motores se encuentran girando a la misma velocia direcciones contrarias como se muestra en la figura 6.

Figura 6. Rotación sobre su centro

Cuando el robot se encuentra rotando sobre su propio centro se utiliza la siguiente ecuación:

* ��+�()�&,

-

Donde la longitud al eje sobre el cual gira el robot es igual a L/2

Rotaciones en un eje diferente al centro del robot: cuando sólo uno de los motores se encuentra Se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Rotación sobre un eje diferente

en esta situación.

(4)

aciendo un movimiento angular se utiliza

(5)

dos motores se encuentran girando a la misma velocidad pero

o centro se utiliza la siguiente ecuación:

(6)

cuando sólo uno de los motores se encuentra


Para esta situación la orientación se calcula media

6. Transformaciones entre

ROS incluye una serie de librerías que le permiten ejes coordenados.Las utilerías de ROS acomodan la organización de ejestructura de árbol como se observa en la Figura 8

Figura 8. Ácuatro diferentes marcos de ejes coordenados en el

El primer marco denominado segundo marco se ubica en el centro de masa del robque existe entre estos dos marcos consiste en una t

Figura 9. El diagrama muestra la traslación entre el punto y el punto donde se ubica el láser. El sistema de e

base_link


��

Para esta situación la orientación se calcula mediante la ecuación 7.

* ��()�&

-

Transformaciones entre ejes coordenados

ROS incluye una serie de librerías que le permiten al usuario hacer las transLas utilerías de ROS acomodan la organización de ejes coordenados en una

l como se observa en la Figura 8.

Árbol de transformadas del robot. Se observa que exicuatro diferentes marcos de ejes coordenados en el sistema.

El primer marco denominado base_laser corresponde al punto en el cual se sitúa el láser. segundo marco se ubica en el centro de masa del robot y se denomina base_linkque existe entre estos dos marcos consiste en una traslación como se muestra en la Figura

. El diagrama muestra la traslación entre el punto donde se encuentra el centro de masa del robot y el punto donde se ubica el láser. El sistema de ejes coordenado (x1,y1,z1) corresponde al marco

y el sistema (x2,y2,z2) corresponde al marco base_laser

(7)

ejes coordenados

al usuario hacer las transformaciones de Las utilerías de ROS acomodan la organización de ejes coordenados en una

rbol de transformadas del robot. Se observa que existensistema.

corresponde al punto en el cual se sitúa el láser. El base_link. La transformación

raslación como se muestra en la Figura 9.

donde se encuentra el centro de masa del robot ) corresponde al marco

base_laser.


��

La librería TF de ROS nos permite realizar rotaciones y traslaciones de puntos y vectores usando una sola función. Para la transformación de un punto P de /base_link a /base_laser se realiza la siguiente traslación detallada en la ecuación 8:

�./�01�/�0

� �./�01�234

5 �6� � (8)

La siguiente transformación se realiza entre /base_link y /odom y tiene la función de indicarle al robot cuánto se ha movido de acuerdo a los cálculos de odometría. Cuando se realizan los cálculos de odometría, el resultado final son dos parámetros de traslación (x,y) y uno de rotación (�), más adelante se explicará la obtención de cada uno a detalle. La transformación se detalla en las ecuaciones 9, 10 y 11.

�./�01�234 �� 7�#��./�01�234 8 ��#�� 5 ��#��./�01�234 (9)

Donde

7�#��./�01�234 � 9:��* ;�<=* >�<=* :��* >> > ?@ (10)

��#��./�01�234 � AB�C�>D (11)

Finalmente, la transformación de map a odom, detallada en el algoritmo incluido dentro del paquete slam_gmapping de ROS

7. Mapeo

Grisetti, Stachnis y Burgard [5] [6] proponen un filtro de partículas de Rao Blackwell modificado como solución al problema de SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)[7][8][9].

La meta principal de un filtro de partículas aplicado al mapeo [10] es la de encontrar el posterior del mapa m, dada una trayectoria x1:t, contando con las observaciones provenientes del láser Hokuyo z1:t y tomando en cuenta las mediciones de Odometría u1:t-1 como muestra la Ecuación 11.

(B1:E, |F1: ,1:E−1)= (� |B1: ,1:E)· (B1:E|F1: ,1:E−1) (11)

A continuación se detalla el algoritmo [9] completo: �� Se obtiene la estimación de la pose inicial xt(i) a partir de la pose pasada usando el resultado de la

Odometría ut-1. �� Se corre un algoritmo para determinar en qué áreas se encontrarán los máximos de las lecturas

del láser. �� Los puntos de muestreo son seleccionados dentro de esta área y usándolos se calculan las

matrices de media y covarianza al evaluar las posiciones muestreadas como se observa en la Ecuación 12.

(FE|�E−1(G),BH)(BH|BE−1(G),�E−1) (12)


�� A partir de lo obtenido en el punto 3, se realiza u

Gaussiana resultante (�(G�� Se calculan los pesos de las partículas y si se

vuelve a hacer un muestreo.

�� Por último se calcula el mapa

En el caso particular se debe realizar una integracde odometría y transformación de ejes coordenados creados para lComo se mencionó, el algoritmo del filtro de partícodometría. Las lecturas del láser se mandan direcGMapping [5] mientras que los de Odometría son enviados por medide ejes coordenados descrito a nivel software por medio del uso de ROS.

Figura 10. Integración de diferentes algoritmos con el objetgenerar mapas. ROS es la herramienta que permite di

En la Figura 11 se muestra un mapa generado mediante la imdetallado en las secciones anteriores


��

A partir de lo obtenido en el punto 3, se realiza un nuevo muestreo usando la aproximación

G),�E(G)).los pesos de las partículas y si se observa que existirá depleción de las mismas se

vuelve a hacer un muestreo.

Por último se calcula el mapa m para cada partícula (� |B1: ,1:E).En el caso particular se debe realizar una integración del algoritmo descrito con los algoritmos

y transformación de ejes coordenados creados para la plataforma mecánica disponible. Como se mencionó, el algoritmo del filtro de partículas requiere lecturas del láser y datos de

dometría. Las lecturas del láser se mandan directamente al algoritmo de mapmientras que los de Odometría son enviados por medio del algoritmo de transformación

de ejes coordenados descrito en la sección 6. La Figura 10 muestra como se realiza dicha integración a nivel software por medio del uso de ROS.

. Integración de diferentes algoritmos con el objetivo final de generar mapas. ROS es la herramienta que permite dicha integración.

igura 11 se muestra un mapa generado mediante la implementación del algoritmo secciones anteriores

Figura 11. Mapa

n nuevo muestreo usando la aproximación

observa que existirá depleción de las mismas se

descrito con los algoritmos a plataforma mecánica disponible.

lecturas del láser y datos de tamente al algoritmo de mapeo denominado

o del algoritmo de transformación muestra como se realiza dicha integración

ivo final de cha integración.

plementación del algoritmo


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8. Resultados de Integración

El resultado obtenido a partir de la integración de las tecnologías descritas es un robot capaz de mapear una zona de desastre previamente desconocida. Para dicho objetivo el procesamiento de tres tipos de datos es necesario: odometría, lecturas del láser y transformación de ejes coordenados. La odometría se debe ajustar a las especificaciones de la estructura mecánica con la que se cuenta, la cual consta de una doble tracción que permite tener una movilidad adecuada para terrenos agrestes y de difícil acceso. El procesamiento de las lecturas del láser al igual que las transformaciones de ejes coordenados es posible gracias a la arquitectura de software que ROS proporciona. El control del robot es teleoperado para lo cual se envían mensajes vía WiFi entre el procesador central y una estación remota. Es importante mencionar que ROS tiene una gran relevancia ya que es la plataforma que proporciona la capacidad de integración entre todos los elementos involucrados como muestra la Figura 12.

Figura 12. Integración de los elementos

9. Conclusión

El diseño de un robot es una labor compleja que consiste en la integración de diferentes tecnologías y conocimientos. Se concluye que el sistema cumple con los requerimientos de una aplicación de rescate, ya que se cuenta con una estructura mecánica robusta con la cual se puede acceder a terrenos complejos sin poner en riesgo al operador, además de que se tiene la capacidad de hacer mapas de zonas inicialmente desconocidas.


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Agradecimientos

Agradecemos el apoyo recibido por el Conacyt a través de la Red Mexicana de Robótica así como del apoyo académico recibido por el ITESM.

Referencias

[1] Nieto-Granda C., Galindez-Olascoaga D., Chavez-Muñoz D., Camargo-Rosas C., Arriaga-Orta A. RoboCup Rescue 2008 . Robot League Team - Tec Rams – TMR Verlab. Para 2008 Robocup Rescue. Suzhou, China.

[2] Nieto-Granda C., Chavez-Muñoz D., Galindez-Olascoaga D., Camargo-Rosas C., Arriaga-Orta A., Pineda-Olivares A., Hayet J.B., Arachavaleta G., Rodríguez-Salazar L. TMR VERLAB - Robot

Kauil. Robot Challenge Workshop. International Conference on Robotics and Automation (ICRA

2008). May 19-23, 2008. Pasadena, California. USA. [3] Galindez-Olascoaga L., Aceves-Lopez A., Nieto-Granda C., Chávez-Muñoz D., Galíndez-

Olascoaga D., RoboCup Rescue 2012 . Robot League Team – Kauil-TecMTY. Para 2012 Robocup Rescue. Mexico City, Mexico.

[4] Choset H., Lynch K., Hutchinson S., Kantor G., Burgard W., Kavraki L., Thrun S. “Principles of

Robot Motion. Theory, Algorithms and Implementations”. The MIT Press, 603, 2005. [5] Grisetti G., Stachniss C., Burgard W.” Improved Techniques for Grid Mapping with Rao-

Blackwellized Particle Filters, IEEE Transactions on Robotics”, 2006 [6] K. Conley (2012). ROS Introduction. [En línea]. Disponible:

http://www.ros.org/wiki/ROS/Introduction [7] H. Durrant-White, T. Bailey. Simultaneous Localization and Mapping: part I. IEEE Robotics &

Automation Magazine.Pages 99-110.2006. [8] J.J. O’Reilly. SLAM II tutorial. Simulation Conference, 1990. Proceedings.Winter,1990. [9] Choset H., Lynch K., Hutchinson S., Kantor G., Burgard W., Kavraki L., Thrun S. Principles of

Robot Motion. Theory, Algorithms and Implementations.The MIT Press,Page 294, 2005. [10] A. Doucet, N. de Freitas, and N. Gordan, editors. Sequential Monte- Carlo Methods in Practice.

Springer Verlag, 2001.

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