Diseño Y Simulación Del Sistema De Locomoción De Un Robot Hexápodo Para Tareas De Búsqueda Y Rescate
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES Trabajo Fin de Grado Diseño y Simulación del Sistema de Locomoción de un Robot Hexápodo para Tareas de Búsqueda y Rescate Tutor: Dr. Antonio Barrientos Cruz Alumno: Jesús Tordesillas Torres 12431 Curso 2015/2016 Página dejada intencionadamente en blanco “Again, I was watching every person coming down, looked at their face, just to make them happy that they were getting out and we were going in and everything was okay” Kirk Long, bombero en el 11-S Página dejada intencionadamente en blanco Agradecimientos Con mucho gusto puedo dar los agradecimientos a muchas personas. Lamentablemente, en la primera página sólo se puede poner un nombre, pero es justo reconocer que este proyecto no hubiese sido posible sin la ayuda de muchos personas cercanas. En primer lugar, como no, gracias a mi familia. Gracias a mi madre por la lectura atenta y revisión del trabajo. Gracias a mi padre por la ayuda en la revisión del encoder del banco de ensayos. Gracias a mis hermanos Pablo y Alberto por acompañarme en las pruebas en el campo. Y no sólo gracias por eso: gracias, simplemente, por estar ahí. También le debo dar las gracias a mi tutor Antonio Barrientos y al tutor externo Jorge. Gracias por estar siempre apoyándome incluso en las situaciones en las que parecía que todo estaba perdido. A Antonio también le debo dar especialmente las gracias por sus clases de Dinámica de Sistemas y de Robótica: gracias por tu motivación en las clases y gracias por la cercanía a los alumnos. Debo dar también las gracias a Jorge, gracias por tu cercanía, gracias por tu recordatorio «haz el setup en el bashrc» ante mi equivocación continua en Gazebo. Gracias por imprimirme todas las patas pacientemente. Y gracias por adentrarme en el mundo de la robótica. También quiero agradecer a todo el grupo de Cibernética y Robótica: Mario, David, Juanje, Jaime, Pablo, Ángela,... (y los que me quedan). Gracias por el buen ambiente que siempre hay en el laboratorio. Gracias también a Diego por la ayuda con la visión por computador. A Rafa por echarme un mano en mecanizar la pieza. A Marco y ACH por la instalación del disco SSD en mi ordenador, disco sin el cual las simulaciones no hubiesen sido posible. Como no, gracias a los hermanos Madrigal (Joseda y Juanjo) por su ayuda con el Latex y IPE. Gracias también a Eduardo Caro (profesor de la ETSII) por su ayuda con Statgraphics. Gracias a Guadalupe y a Domingo Moreno (profesores de proyectos en la ETSII) por su ayuda en la realización del EDP y del GANTT. Gracias a José María Cabanellas (profesor de la ETSII) por su consejo respecto a los planos de conjunto del robot. También debo de estar muy agradecido a todos los profesores de la ETSII: gracias por enseñarme una carrera tan apasionante como lo es la Ingeniería Industrial. Gracias por enseñarme a no quedarme con la realidad delante de mis ojos, sino saber ir más allá. Gracias por enseñarme que todo es posible por difícil que parezca. Y como no, a mis compañeros de clase Rodrigo, Pablo, Luis, Javi y Guillermo: hemos pasado y sufrido mucho juntos, pero aún nos queda.Y a mis amigos de Madrid: Javi, Jorge, los gemelos, Adrián, Óscar, Diego, Antonio, Santi, Joseda, Juanjo, ... (y no sigo la lista porque si no no acabamos) Gracias a todos III Página dejada intencionadamente en blanco Resumen Una de las aplicaciones de mayor actualidad en el campo de la Robótica es el uso de los robots en las situaciones de búsqueda y rescate. Tareas que ni bomberos, ni personal de rescate ni incluso perros pueden llegar a hacer son posibles gracias al uso de robots móviles dotados de sensores adecuados. Robots de este tipo se han usado en numerosos desastres, desde el Atentado en las Torres Gemelas de Nueva York en 2001 hasta las inundaciones en Río Blanco (Texas, 2016), pasando por el terremoto de Haití (2010) y por el accidente nuclear en Fukushima (2011). En estos desastres, robot terrestres aéreos y marítimos han ayudado en numerosas tareas, tales como la búsqueda de víctimas, el reconocimiento y mapeado de la zona, la asistencia médica y la retirada de escombros. (a) Robot Souryu entrando en una casa destrozada tras el (b) Uno de los robots usados en el 11-S terremoto Niigata Chuetsu Figura 1: Ejemplos de robots de búsqueda y rescate Sin embargo, y a a pesar de la importancia de los robots en este campo, la experiencia de desastres ya ocurridos en los que se han usado robots demuestra que los sistemas de locomoción desarrollados para los mismos no son lo suficientemente robustos y versátiles para los tipos de terrenos de las situaciones de emergencia: en dichas situaciones, los terrenos pueden variar desde una montaña de escombros hasta un terreno embarrado, montones de papeles, escaleras derruidas o vegetación apilada. Se aprecia por tanto la necesidad de un sistema de locomoción que permita el uso del robots en ese tipo de terrenos. En la investigación desarrollada hasta la actualidad se hace notar la carencia de un estudio que analice en profundidad un sistema de locomoción determinado desde todos los aspectos que lo componen: la cinemática de dicho sistema de locomoción, la dinámica del mismo, el estudio matemático y preciso de los materiales de las partes que lo componen, así como los diferentes patrones de movimiento (también conocidos como modos de marcha). Este trabajo profundiza en el diseño y simulación del sistema de locomoción de un robot para tareas de búsqueda y rescate. En primer lugar se ha estudiado el estado del arte tanto de los robots de búsqueda y rescate (en adelante robots USAR 1) como en diferentes sistemas de locomoción en robótica. En este análisis, se han recogido todas las actuaciones registradas hasta la fecha de estos robots en desastres, tantos naturales como provocados 1Urban Search and Rescue V por el hombre. Además, se han analizado los diferentes sistemas de tracción de un gran número de robots actuales, clasificándolos en función de la complejidad y la versatilidad. Una vez terminado el estado del arte, y viendo las ventajas y desventajas de cada opción, se ha decidido el sistema de locomoción del robot: sistema de locomoción por patas. Se han diseñado cinco modos de marcha del robot, en los cuales el robot va moviendo sus patas en una secuencia determinada. Estos modos de marcha se han programado y simulado usando ROS (Robot Operating System) y Gazebo (ver figura 2). Además, se han simulado en cuatro tipo de terrenos: terreno llano, terreno con rampa, terreno abrupto y terreno con obstáculos tipo esféricos y cúbicos. C´amara del Robot Rviz (Odometr´ıay TF) Mundo de Gazebo Gr´aficas Figura 2: Interfaz diseñada Posteriormente se ha desarrollado un modelo cinemático del robot considerando los diferentes modos de marcha que puede tener. Este modelo cinemático se ha comprobado tanto por simulación con Autodesk Inventor como en la realidad usando la Visión por Computador que proporciona Matlab. Asimismo, se ha estudiado el modelo dinámico del mismo. Se ha realizado tanto un modelo generalista, aplicable a cualquier modelo dinámico de la pata, como un modelo más particular en el que se modela la pata usando el modelo del péndulo invertido (SLIP-Spring Loaded Inverted Pendulum). Además, se ha aplicado el Teorema de Castigliano para hallar la deformación horizontal y vertical del eje de la pata. Los resultados obtenidos se han contrastado usando técnicas de regresión no lineal con los datos obtenidos mediante la aplicación del análisis por elementos finitos (FEA-Finite Element Analysis). Los datos analíticos se ajustan con elevada perfección a los datos obtenidos por FEA. Adicionalmente, se ha aplicado la Teoría de Elasticidad y los criterios de ruptura (Rankine y Von Mises) a diferentes materiales y diferentes formas de pata. En concreto, se han diseñado siete formas distintas de pata y cada una de ellas se ha simulado estáticamente usando FEA. Cada pata se ha simulado con siete materiales distintos: Fibra de vidrio, Fibra de Carbono, plástico ABS, Nylon 6,6, plástico PET, Polímero reforzado con Fibra de Carbono y Resina Termoplástica. A partir de estas simulaciones, se han extraídos los coeficientes de seguridad de cada pata en la situación más desfavorable, como se puede ver en la figura 3. También se han realizado simulaciones dinámicas (con la pata en movimiento) en las cuales se comprueba en qué casos la situación más desfavorable es el caso estático. Con el objetivo de analizar la idoneidad de forma de pata ante determinados terrenos, se ha construido un banco de ensayos provisto de motores para simular las patas en terrenos reales. Estos terrenos han sido tierra suelta, barro, paja, grava y terrones. A partir de los resultados obtenidos para cada tipo de terreno, y teniendo en cuenta los coeficientes de seguridad hallados mediante simulación, se ha elegido la pata idónea para cada tipo de terreno. VI ETSII-UPM Diseño del Sistema de Locomoción de un Robot de Rescate Figura 3: Distribución de los coeficientes de seguridad Para concluir el diseño del sistema de locomoción, se ha diseñado el robot en 3D (como se puede apreciar en la figura 4) y se han realizado sus planos respectivos. Asimismo, se han elegido y comprado los motores de acuerdo a los resultados obtenidos en simulación en cuanto a par de pico y velocidad máxima. También se han elegido las baterías y la electrónica que finalmente llevará el robot. Figura 4: Versión final del robot Jesús Tordesillas Torres VII Códigos UNESCO: [330419] - ROBÓTICA [120326] - SIMULACIÓN [331209] - RESISTENCIA DE MATERIALES [240102] - COMPORTAMIENTO ANIMAL [220503] - ELASTICIDAD [220501] - MECÁNICA ANALÍTICA Palabras Clave: Robot, Rescate, Hexápodo, C-Legs, Modelado, Elementos Finitos, Simulación, Resistencia, Elasticidad.