Diseño y construcción de un prototipo de robot móvil esférico para monitoreo de cultivos de palma de aceite
En la actualidad, el desarrollo de la robótica móvil se ha orientado en encontrar nuevas y diversas técnicas de locomoción, que suplan ciertos requerimientos o que presenten diversas ventajas en comparación con los sistemas tradicionales en campos tan diversos como la agricultura. Una de esas nuevas...
- Autores:
-
Alvarado Álvarez, Francisco Arturo
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2020
- 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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- Palabra clave:
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En la actualidad, el desarrollo de la robótica móvil se ha orientado en encontrar nuevas y diversas técnicas de locomoción, que suplan ciertos requerimientos o que presenten diversas ventajas en comparación con los sistemas tradicionales en campos tan diversos como la agricultura. Una de esas nuevas técnicas son los robots esféricos que, como su nombre lo indica, son robots de forma esférica externa y cuyo movimiento se genera al hacer rotar dicho cuerpo esférico. Estos robots cuentan con ciertas ventajas tales como su alta maniobrabilidad, mayor resistencia a impactos y mejor rendimiento en superficies como la nieve, arena o agua Este proyecto propone el estudio, diseño y construcción de un robot esférico orientando su uso al monitoreo remoto de cultivos de palma de aceite, pues estas plantaciones están expuestas a varias enfermedades, incluyendo la “pudrición del cogollo”, que afecta el punto de crecimiento de la planta hasta llevarla a la muerte. Por eso los expertos indican que cuando se hace la detección de la enfermedad a tiempo, una simple poda del área afectada junto a con un control químico puede ser suficiente para controlar la enfermedad. Por lo tanto, se plantea un diseño de robot esférico capaz de monitorear remotamente las plantaciones a futuro, de forma que un operario este constantemente vigilando el cultivo en búsqueda de alguna irregularidad que pueda afectar la vida útil de la planta. |
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Una de esas nuevas técnicas son los robots esféricos que, como su nombre lo indica, son robots de forma esférica externa y cuyo movimiento se genera al hacer rotar dicho cuerpo esférico. Estos robots cuentan con ciertas ventajas tales como su alta maniobrabilidad, mayor resistencia a impactos y mejor rendimiento en superficies como la nieve, arena o agua Este proyecto propone el estudio, diseño y construcción de un robot esférico orientando su uso al monitoreo remoto de cultivos de palma de aceite, pues estas plantaciones están expuestas a varias enfermedades, incluyendo la “pudrición del cogollo”, que afecta el punto de crecimiento de la planta hasta llevarla a la muerte. Por eso los expertos indican que cuando se hace la detección de la enfermedad a tiempo, una simple poda del área afectada junto a con un control químico puede ser suficiente para controlar la enfermedad. Por lo tanto, se plantea un diseño de robot esférico capaz de monitorear remotamente las plantaciones a futuro, de forma que un operario este constantemente vigilando el cultivo en búsqueda de alguna irregularidad que pueda afectar la vida útil de la planta.1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1 1. OBJETIVOS ...................................................................................................... 3 1.1. Objetivo general .......................................................................................... 3 1.2. Objetivos específicos .................................................................................. 3 2. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 4 3. ANTECEDENTES ............................................................................................. 5 4. ESTADO DEL ARTE. ....................................................................................... 6 4.1. Robots móviles en la agricultura. ................................................................ 6 4.2. Robots esféricos. ........................................................................................ 7 4.2.1. Proyectos de grado sobre robots esféricos ........................................ 10 5. MARCO TEÓRICO. ........................................................................................ 11 5.1. Robótica Móvil. ......................................................................................... 11 5.1.1. Clasificación de los robots móviles según su entorno de trabajo. ...... 11 5.1.1.1. Clasificación de los robots móviles terrestres. ................................ 11 5.1.1.2. Clasificación de los robots móviles acuáticos. ................................ 13 5.1.1.3. Clasificación de los robots móviles aéreos. .................................... 13 5.1.2. Holonomicidad de los robots móviles. ................................................ 14 5.2. Robots esféricos. ...................................................................................... 14 5.3. Principios de locomoción de un robot esférico .......................................... 15 5.3.1. Desplazamiento del centro de masa. ................................................. 15 5.3.1.1. Mecanismo de unidad de conducción interna (IDU). ...................... 16 5.3.1.2. Mecanismo de conducción por péndulo de eje fijo. ........................ 18 5.3.1.3. Mecanismo de conducción por cambios múltiples de masa. .......... 19 5.3.2. Diseño con cuerpo deformable. ......................................................... 19 5.3.2.1. Diseño con secciones deformables. ............................................... 19 5.3.2.2. Diseño con aleaciones con memoria de forma. .............................. 20 5.3.3. Mecanismo basado en la conservación del momento angular. .......... 21 5.4. Limitaciones prácticas del Torque. ........................................................... 22 5.5. Impresión 3D por Deposición Fundida. ..................................................... 24 5.5.1. ¿Qué es la Impresión 3D? ................................................................. 24 5.5.2. Métodos comunes de impresión 3D ................................................... 25 5.5.3. Materiales compatibles con el modelado por deposición fundida. ..... 25 5.5.3.1. Ácido poliláctico (PLA). ................................................................... 26 5.5.3.2. Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS). ............................................ 27 5.5.3.3. Poliestirenos de Alto Impacto (HIPS) .............................................. 28 5.5.3.4. PolyEthylen Terephthalato de Glicol (PETG). ................................. 29 5.5.3.5. Poliuretano termoplástico (TPU). .................................................... 30 5.5.4. Slicing Software.................................................................................. 31 5.5.5. Secciones de la impresión 3D por FDM. ............................................ 33 5.6. Selección de parámetros óptimos para aumentar la resistencia de piezas impresas en 3D utilizando Ultimaker CURA. ...................................................... 33 5.6.1. Cascarón (Shell) – Grosor de la pared. .............................................. 33 5.6.2. Alternar pared extra. ........................................................................... 34 5.6.3. Densidad del relleno. .......................................................................... 35 5.6.4. Patrón de relleno. ............................................................................... 36 5.6.5. Reforzar zonas cruciales de una pieza. ............................................. 37 5.7. Metodología de diseño de sistemas mecatrónicos. .................................. 39 5.8. Linealización aproximada de sistemas. .................................................... 41 5.8.1. Linealización por series de Taylor. ..................................................... 41 5.8.2. Representación en espacio de estados. ............................................ 42 6. METODOLOGÍA ............................................................................................. 44 6.1. Análisis funcional ...................................................................................... 46 6.1.1. Análisis de la necesidad. .................................................................... 46 6.1.2. Análisis funcional de la necesidad...................................................... 47 6.1.3. Análisis funcional técnico. .................................................................. 48 6.1.4. Selección de las soluciones técnicas. ................................................ 51 7. MODELADO MATEMÁTICO. ......................................................................... 55 7.1. Profundización teórica del sistema de locomoción seleccionado. ............ 55 7.2. Suposiciones importantes. ........................................................................ 56 7.3. Diseño conceptual del prototipo. ............................................................... 57 7.4. Modelado cinemático del robot. ................................................................ 57 7.5. Modelado dinámico del robot. ................................................................... 60 7.6. Modelo dinámico de un motor DC. ........................................................... 64 7.7. Representación en espacio de estados del sistema unificado. ................. 65 8. DISEÑO MECÁNICO DEL PROTOTIPO ........................................................ 72 8.1. Diseño de la esfera. .................................................................................. 72 8.1.1. Diseño del cascarón de la esfera. ...................................................... 72 8.2. Diseño de la cabeza del robot. ................................................................. 75 8.2.1. Diseño del domo. ............................................................................... 75 8.2.2. Diseño del “skirt pie” ........................................................................... 76 8.2.3. Diseño del “Dome Magnet Mount” o DMM. ........................................ 76 8.3. Diseño de la unidad de conducción interna (IDU). .................................... 77 8.3.1. Diseño de la llanta cónica. ................................................................. 79 8.3.2. Diseño de la base del IDU. ................................................................. 81 8.3.3. Diseño de la base para el controlador y la sensórica. ........................ 82 8.3.4. Diseño del eje y torre principal. .......................................................... 83 8.4. Selección de materiales. .................................................................... 84 8.4.1. Selección de materiales para la esfera. ............................................. 85 8.4.2. Selección de materiales para el domo. .............................................. 85 8.4.3. Selección de materiales para el sistema IDU. .................................... 87 8.5. Simulación estática por elementos finitos de la esfera. ............................ 92 8.5.1. Esfuerzos de von Mises. .................................................................... 92 8.5.2. Desplazamientos. ............................................................................... 93 8.5.3. Deformaciones unitarias. .................................................................... 94 9. DISEÑO ELECTRÓNICO DEL PROTOTIPO. ................................................ 96 9.1. Selección de la instrumentación. .............................................................. 96 9.1.1. Selección de los actuadores. ............................................................. 96 9.1.2. Selección del sensor de ángulo. ...................................................... 100 9.1.3. Selección del controlador y el driver para los motores. .................... 100 9.1.4. Selección de las baterías. ................................................................ 101 9.1.5. Selección del control RC. ................................................................. 102 9.2. Conexión de la etapa de potencia. ......................................................... 103 9.3. Conexión de la etapa de sensórica y recepción RC. .............................. 104 10. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO. ....................................................... 105 10.1. Construcción de las piezas de la esfera. ................................................ 105 10.1.1. Construcción del cascarón de la esfera. ....................................... 105 10.2. Construcción de las piezas del domo. .................................................... 106 10.3. Construcción de las piezas del robot interno IDU............................. 107 10.4. Post procesado de las piezas impresas. ................................................. 108 10.4.1. Post procesado de la esfera. ........................................................ 108 10.4.2. Proceso de fijación de imanes. ..................................................... 108 10.5. Ensamble del domo y el robot interno IDU. ............................................ 108 10.6. Ensamble completo del robot. ................................................................ 110 11. DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL. .................................................... 111 11.1. Modo Manual. ......................................................................................... 111 11.2. Modo automático. ................................................................................... 112 11.2.1. Identificación de los parámetros del sistema. ............................... 113 11.2.1.1. Prueba experimental a lazo abierto. .......................................... 114 11.2.1.2. Configuración del modelo de caja gris. ...................................... 115 11.2.1.3. Resultados de la estimación de parámetros. ............................. 116 11.2.2. Demostración de la calidad del sistema linealizado. ..................... 119 11.2.3. Técnicas de control. ...................................................................... 121 11.2.3.1. Control Proporcional. ................................................................. 121 11.2.3.2. Control Proporcional Derivativo. ................................................ 123 12. VALIDACIÓN EXPERIMENTAL. ................................................................ 125 12.1. Validación experimental en modo manual. ............................................. 125 12.1.1. Validación del modo manual en una superficie ideal. ................... 126 12.1.2. Validación del modo manual en una superficie con pasto ............ 128 12.1.3. Validación del modo manual en una superficie con tierra. ............ 130 12.1.4. Evaluación del desempeño del robot en las tres superficies. ........ 132 12.2. Validación experimental en modo automático. ....................................... 133 12.2.1. Validación del controlador P en una superficie ideal. .................... 133 12.2.2. Validación del controlador PD en una superficie ideal. ................. 136 12.2.3. Validación del control P en una superficie irregular con pasto. ..... 139 12.2.4. Validación del control PD en una superficie irregular con pasto. .. 142 12.2.5. Validación del control P en una superficie irregular con tierra. ..... 145 12.2.6. Validación del control PD en una superficie irregular con tierra. ... 148 13. CONCLUSIONES ...................................................................................... 152 14. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 155 ANEXO A ............................................................................................................. 160 ANEXO B ............................................................................................................. 176 ANEXO C ............................................................................................................. 185PregradoAt present, the development of mobile robotics has focused on finding new and diverse locomotion techniques that meet certain requirements or that present various advantages compared to traditional systems in fields as diverse as agriculture. One of these new techniques is spherical robots which, as their name indicates, are externally spherical robots whose movement is generated by rotating their spherical body. These robots have certain advantages such as their high maneuverability, greater resistance to impacts and better performance on surfaces such as snow, sand or water. This project proposes the study, design and construction of a spherical robot, orienting its use to remote monitoring of crops of oil palm, as these plantations are exposed to several diseases, including "bud rot", which affects the growth point of the plant until it dies. That is why experts indicate that when the disease is detected in time, a simple pruning of the affected area together with a chemical control may be enough to control the disease. Therefore, a spherical robot design capable of remotely monitoring the plantations in the future is proposed, so that an operator is constantly monitoring the crop in search of any irregularity that may affect the useful life of the plant.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaDiseño y construcción de un prototipo de robot móvil esférico para monitoreo de cultivos de palma de aceiteDesign and construction of a prototype of a spherical mobile robot for monitoring oil palm cropsIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicOil palmCropsPrototypesManipulatorsHigh-tech productsTechnological innovationsMecatrónicaPrototiposManipuladoresProductos de alta tecnologíaInnovaciones tecnológicasPalma de aceiteRobotCultivos[1]. 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