Desarrollo de un robot operado a distancia para la búsqueda de supervivientes en estructuras colapsadas de difícil acceso
Este articulo presenta el diseño y construcción de un prototipo de robot operado a distancia por medio de una interfaz gráfica en un servidor web local, para la búsqueda de personas atrapadas dentro de estructuras colapsadas de difícil acceso y alto riesgo para los miembros de equipos de búsqueda y...
- Autores:
-
Martínez Vega, Daniel De Jesús
Buitrago Romero, Jorge Andrés
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2022
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
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- Mechatronic
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Este articulo presenta el diseño y construcción de un prototipo de robot operado a distancia por medio de una interfaz gráfica en un servidor web local, para la búsqueda de personas atrapadas dentro de estructuras colapsadas de difícil acceso y alto riesgo para los miembros de equipos de búsqueda y rescate. Dicho robot cuenta con un sistema de comunicación inalámbrico con un alcance de hasta 20 metros conformado por un sistema que transmite vía WI-FI la imagen de la cámara del robot al mando del operario y los controles del mando al robot y un sistema de transmisión de audio bidireccional entre el operario y el robot, los cuales en conjunto facilitan la labor de detectar, localizar y conocer la condición en la que se encuentran las víctimas y el entorno en el que se encuentra para proceder a hacer una planificación correcta de la operación de rescate. De igual forma, se describe el sistema de locomoción con brazos y la tracción con orugas mediante la cual el robot se puede desplazar en superficies desniveladas con lodo, madera, grava, tierra o escombros y superar obstáculos de distintos tamaños manteniendo un tamaño compacto. Dando como resultado un prototipo que gracias a sus capacidades les permite a los rescatistas mantenerse alejados de la zona de peligro durante las labores de detección de supervivientes dentro de estructuras colapsadas mientras pueden controlar al robot desde cualquier dispositivo que se pueda conectar a la red local de WI-FI del robot. |
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Dicho robot cuenta con un sistema de comunicación inalámbrico con un alcance de hasta 20 metros conformado por un sistema que transmite vía WI-FI la imagen de la cámara del robot al mando del operario y los controles del mando al robot y un sistema de transmisión de audio bidireccional entre el operario y el robot, los cuales en conjunto facilitan la labor de detectar, localizar y conocer la condición en la que se encuentran las víctimas y el entorno en el que se encuentra para proceder a hacer una planificación correcta de la operación de rescate. De igual forma, se describe el sistema de locomoción con brazos y la tracción con orugas mediante la cual el robot se puede desplazar en superficies desniveladas con lodo, madera, grava, tierra o escombros y superar obstáculos de distintos tamaños manteniendo un tamaño compacto. Dando como resultado un prototipo que gracias a sus capacidades les permite a los rescatistas mantenerse alejados de la zona de peligro durante las labores de detección de supervivientes dentro de estructuras colapsadas mientras pueden controlar al robot desde cualquier dispositivo que se pueda conectar a la red local de WI-FI del robot.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 14 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 14 3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 15 4. OBJETIVOS .................................................................................................... 15 Objetivo General ....................................................................................... 15 Objetivos Específicos................................................................................ 15 5. ESTADO DEL ARTE ...................................................................................... 16 6. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 21 Diseño de circuitos ................................................................................... 21 Sensores ................................................................................................... 21 Actuadores ................................................................................................ 21 6.3.1 Motores DC ........................................................................................ 21 Sistema embebido .................................................................................... 22 6.4.1 Microcontrolador................................................................................. 22 6.4.2 Microprocesador................................................................................. 22 Alimentación ............................................................................................. 22 Protocolos de comunicación ..................................................................... 23 Diseño mecánico ...................................................................................... 23 6.7.1 Locomoción tipo oruga ....................................................................... 24 6.7.2 Locomoción por ruedas ...................................................................... 24 6.7.3 Locomoción biomecánica ................................................................... 25 Análisis estructural .................................................................................... 25 Estrategias de navegación ........................................................................ 26 Diseño de software ................................................................................ 26 6.10.1 HMI ................................................................................................. 26 6.10.2 Interfaz Web .................................................................................... 27 6.10.3 Programación de microcontroladores ............................................. 27 7. METODOLOGÍA ............................................................................................. 28 Modelado .................................................................................................. 30 Prototipo ................................................................................................... 30 Implementación ........................................................................................ 31 8. PLAN DE TRABAJO ....................................................................................... 31 Cronograma .............................................................................................. 31 Resultados esperados .............................................................................. 32 9. CARACTERÍSTICAS DEL ROBOT ................................................................ 33 Recomendaciones de los rescatistas........................................................ 33 Caracterización del terreno ....................................................................... 34 Normas o criterios internacionales ............................................................ 35 10. SISTEMA DE LOCOMOCIÓN ........................................................................ 35 Criterio de selección .............................................................................. 35 Matriz QFD del sistema de locomoción ................................................. 36 11. MODELO MATEMÁTICO ............................................................................... 37 Características en modelos similares .................................................... 37 Análisis cinético de motores .................................................................. 37 11.2.1 Cálculos a escala real ..................................................................... 39 Selección de los motores ...................................................................... 39 Modelo de los motores .......................................................................... 40 11.4.1 Ecuaciones diferenciales ................................................................ 40 11.4.2 Funciones de transferencia ............................................................. 42 Parametrización de motores .................................................................. 44 Cálculos en Encoders ............................................................................ 49 Simulación de modelo real .................................................................... 52 Diseño de controladores ........................................................................ 55 Cálculos en servomotores ..................................................................... 59 11.9.1 Cálculos de servomotores a escala real ......................................... 62 Selección de servomotores ................................................................... 62 12. SISTEMA EMBEBIDO .................................................................................... 63 13. DISEÑO MECÁNICO ...................................................................................... 64 Software CAD ........................................................................................ 64 Diseño CAD ........................................................................................... 64 13.2.1 Diseño de chasis ............................................................................. 64 13.2.2 Medidas y planos. ........................................................................... 65 13.2.3 Explosionado .................................................................................. 66 13.2.4 Acoples ........................................................................................... 68 Selección de orugas .............................................................................. 69 Análisis de impacto ................................................................................ 69 13.4.1 Cálculos de Impacto ....................................................................... 70 14. SISTEMAS DE COMUNICACIÓN .................................................................. 71 Transmisión de video ............................................................................ 72 14.1.1 Selección de cámara ...................................................................... 72 14.1.2 Selección de antena ESPCAM ....................................................... 73 14.1.3 Servidor Local ................................................................................. 73 Transmisión de audio ............................................................................ 74 14.2.1 Sistema de Radio control ................................................................ 74 Protocolos de comunicación .................................................................. 76 14.3.1 UART .............................................................................................. 76 15. SISTEMAS DE NAVEGACIÓN ....................................................................... 77 Recuperación del robot ......................................................................... 77 16. DISEÑO CIRCUITOS ELÉCTRONICOS ........................................................ 78 Conexiones generales ........................................................................... 78 16.1.3 Puente H ......................................................................................... 78 Diagramas Esquemáticos Electrónicos ................................................. 78 17. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ...................................................................... 79 Alimentación de los componentes ......................................................... 79 Reguladores de Voltaje ......................................................................... 81 17.2.1 Regulación 5 V ................................................................................ 81 17.2.2 Regulación 9 V ................................................................................ 82 17.2.3 Regulación 7.5 V ............................................................................. 82 Selección de batería .............................................................................. 82 Protección .............................................................................................. 83 17.4.1 Protección de las baterías ............................................................... 83 17.4.2 Protección de polaridad inversa ...................................................... 84 17.4.3 Protección contra corto circuito ....................................................... 85 18. PRUEBAS DEL PROTOTIPO ......................................................................... 85 Pruebas de movilidad ............................................................................ 85 18.1.1 Prueba de esquivar obstáculos ....................................................... 86 18.1.2 Prueba de superación de obstáculos .............................................. 86 Pruebas de control y comunicación ....................................................... 87 18.2.1 Prueba de audio .............................................................................. 87 18.2.2 Prueba de video .............................................................................. 88 19. CONCLUSIONES ........................................................................................... 90 20. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 92 21. ANEXOS ......................................................................................................... 95PregradoThis article shows the design and construction of a remotely operated robot prototype using a graphical interface on a local web server to search for people trapped inside collapsed structures with difficult access and high risk for members of search and rescue teams. The robot has a wireless communication system with a range of up to 20 meters made up of a system that transmits via WIFI the image from the robot's camera to the operator's command and the controls from the command to the robot, and a transmission system of bidirectional audio between the operator and the robot. This set of systems makes it easier to detect, locate and know the condition in which the victims are and the environment in which they are to proceed to make correct planning of the rescue operation. On the other hand, the robot has a locomotion system with arms and traction with tracks by which it can move on inclined surfaces with mud, wood, gravel, or debris and overcome obstacles of different sizes while maintaining a compact size. The result of the project is a prototype that, thanks to its capabilities, allows rescuers to stay away from the danger zone during the detection of survivors inside collapsed structures while they control the robot from a device connected to the robot's local WI-FI network.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Desarrollo de un robot operado a distancia para la búsqueda de supervivientes en estructuras colapsadas de difícil accesoDevelopment of a remotely operated robot to search for survivors in collapsed structures that are difficult to accessIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicPrototype developmentWeb serversVideo transmission systemDetection and locationTrapped peopleManipulatorsRoboticsMachine theoryMecatrónicaDesarrollo de prototiposServidores websManipuladoresRobóticaTeoría de las máquinasRobotSistema de transmisión de videoDetección y localizaciónPersonas atrapadasAoyama, H., Himoto, A., Ohomi, M., Misaki, D., & Sumrall, T. (2005). Micro Hopping Robot with IR Sensor for Disaster Survivor Detection. International Workshop on Safety, Security and Rescue Robotics. Kobe, Japon: IEEE.Baker, G., Carmichael, D., Gilley, A., Hong, A., Mackinnon, O., Ngoma, T., & Rajaretnam , M. (2017). ATLAS-Urban search and rescue robot.Bastías, A. (2017). Sistema de asistencia en rescate mediante robot movil.Bolton, W. (2013). Mecatrónia: Sistemas de Control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica un enfoque multidisciplinario . México: AlfaomegaCastro, C. A. (23 de 06 de 2012). Incoelectronicas. Obtenido de Incoelectronicas.comFord. (1963). Advanced Mechanics of Materials. London: LongmansGarzón, M. A. (2011). Estrategias bio-inspiradas para locomoción de robots ápodos. Universidad Politécnica da MadridJiménez, A. C. (30 de 08 de 2018). Universal Robots. Obtenido de https://blog.universal-robots.com.Kaltenbacher, M. (2015). Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators. Berlin Heidelberg: Springer.Lizama, E. R. (2008). Desarrollo de una interfaz hombre. Perú: Universidad Nacional Mayor de San MarcosLuna, M. A., Moya, J. F., Aguilar, W. G., & Abad, V. (2017). Robot salamandra anfibio con locomoción inspirada. IngeniusMahmud Khandaker, S., & Acharjee, R. (s.f.). An intelligent hexapod rescue robot.McGuire, De Wagter, Tuyls, Kappen, & de Croon. (2019). Minimal navigation solution for a swarm oftiny flying robots to explore an unknown environment. Science RoboticsMoreno, J. M. (1997). Localización Geométrica de robots móviles autónomos . Universidad Carlos III de Madrid.Osorio, A. F. (2016). Metodología para la toma de decisiones en el cambio de locomoción de un robot híbrido multi-terreno. Medellín Colombia: Universidad de AntioquiaRoberson, R. (2004). Human–Robot Interaction in Rescue Robotics. IEEE Transition on systems, man, and Cybernetics.Robinson, W. (2014). Rescue-robot show-down. Spectrum IEEESheety, D., & Kolk, R. (2011). 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