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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL VICERRECTORADO DE DOCENCIA F_AA_225

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE ELÉCTRONICA Y CONTROL PLAN DE TRABAJO DE TITULACIÓN TIPO DE TRABAJO DE TITULACIÓN: ESTUDIO TÉCNICO

I.- INFORMACIÓN BÁSICA PROPUESTO POR:

ÁREA:

Xavier Iván Aguas Haro

Sistemas de control automático

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Robótica y automatización

AUSPICIADO POR:

FECHA:

MSc. Marco Antonio Herrera Garzón PhD. Oscar Eduardo Camacho Quintero

13 de agosto de 2018

RELACIÓN: N/A

II.- INFORMACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN 1. Título del Trabajo de Titulación DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y CONTROL DE UN PROTOTIPO DE ROBOT PARALELO ACCIONADO POR 4 CABLES. 2. Planteamiento del problema En los últimos años, los robots manipuladores convencionales con estructuras seriales o paralelas han conseguido grandes avances en las industrias de ensamblaje y fabricación [1], pero para aplicaciones de robótica de largo alcance como inspección, reparación de astilleros y hangares de aviones no son útiles debido al espacio de trabajo limitado [2] [3]. Los manipuladores seriales proporcionan un espacio de trabajo más grande en comparación con los manipuladores paralelos, sin embargo, debido a la estructura que posee limita la carga útil porque cada eslabón debe soportar su propio peso y los errores de posicionamiento en las articulaciones se acumulan hacia el efector final. Por otro lado, los manipuladores paralelos contrarrestan estas falencias, ya que su topología hace que el peso de la plataforma se distribuya a través de cada una de las extremidades de soporte permitiendo mayor rigidez, velocidad y carga útil para un peso dado [4]. Tanto los manipuladores en serie como en paralelo no son eficientes para trasladar objetos pesados porque los requisitos de espacio de trabajo son mayores y la destreza puede verse comprometida debido a la interferencia de los eslabones, dependiendo del diseño. Por esta razón, mecanismos accionados por cable han recibido atención recientemente porque son más adecuados para tareas con un tamaño del espacio de trabajo más grande [5]. El origen de los robots paralelos impulsados por cable aparece a finales de los años 80 [6], cuando se juntaron los primeros conceptos de grúas, manipuladores paralelos y dispositivos robóticos accionados por cable en los Estados Unidos y Japón [7]. Estos robots son estructuralmente similares a los manipuladores paralelos [8], donde los enlaces rígidos son reemplazados por cables, los cuales

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL VICERRECTORADO DE DOCENCIA se unen al efector final y a los actuadores situados en cada extremo de la base estacionaria. Una de las características más relevantes de los mecanismos accionados por cables es que los cables pueden tirar el efector final pero no empujarlo, lo que obliga a mantener las tensiones positivas en todos los cables durante el funcionamiento, esta limitación crea problemas desafiantes en el control [9], como en la planificación y el control de trayectorias, sin embargo, los esquemas de control que son diseñados para robots paralelos y seriales se pueden adaptar a este tipo de robots. En el caso que se requiera implementar un robot paralelo suspendidos por cables, la etapa más importante es la fase de simulación. Los simuladores permiten probar rápidamente una nueva concepción y observar cómo esta implementación se ajusta al diseño propuesto. La naturaleza altamente flexible de los cables es extremadamente difícil de simular [10]. Por estas razones, el proyecto propuesto plantea el diseño, construcción y control de un prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables para realizar diferentes figuras para observar el comportamiento de los cables y sobre todo mostrar la precisión del movimiento del efector final.

3. Justificación 3.1 Justificación práctica Durante los últimos años, los robots impulsados por cables han alcanzado grandes avances en las industrias de manipulación de materiales en un gran espacio de trabajo [11]. Estos robots son considerados como un tipo de robot paralelo, donde los eslabones rígidos han sido reemplazados por cables [12] que tienen características de masa e inercia relativamente bajas que a menudo son consideradas insignificantes para que el modelado y análisis se simplifiquen [2]. La retracción y extensión ordenada de los cables controla la posición y la orientación del efector final. Los sistemas accionados por cable ofrecen muchas ventajas sobre los manipuladores paralelos tradicionales, como: 

Espacio de trabajo más grande limitado por la longitud del cable y restricciones de tensión.



El reemplazo de articulaciones prismáticas y rotacionales por cables mejora el rendimiento porque las aceleraciones son más altas y la inercia disminuye.



El diseño simple de esta clase de robots permite que sea un sistema reconfigurable, menos costoso en la fabricación y bajo mantenimiento.



El uso de cables da como resultado un sistema seguro y transportable.



Elevada relación de carga útil / peso.

Existen varios diseños de robots suspendidos por cables debido a las características presentadas permitiendo una gran variedad de aplicaciones, especialmente para la manipulación de materiales a gran escala [13] para llevarlos de un lugar a otro. Por su diseño simple, el costo de los actuadores representa la principal contribución al costo total de este robot. En la Escuela Politécnica Nacional se ha creado robots paralelos y simulaciones de los mismos, como trabajos de titulación mencionados a continuación:

Trabajos Similares: 

P. Oña, W. Christian, S. Muzo, y J. Fernando, «Diseño y construcción de un prototipo de robot delta para aplicaciones pick & place», Quito. 2016 [14].

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL VICERRECTORADO DE DOCENCIA Diferencia: En este trabajo se diseña y construye un prototipo de robot delta el cual consta con eslabones rígidos para mover el efector final y realizar diferentes figuras. El proyecto propuesto busca diseñar y construir un prototipo de un robot paralelo accionado por cables, es decir los eslabones rígidos serán reemplazados por cables para realizar figuras predefinidas, siendo más desafiante ya que los cables solo pueden jalar y no empujar.



M. Muñoz y C. Gustavo, «Diseño y simulación de un controlador de posición basado en modos deslizantes para un robot tipo Scara paralelo», oct. 2017, [15].

Diferencia: El presente trabajo presenta un estudio cinemático del robot Scara paralelo con el fin de diseñar un controlador basado en modos deslizantes y un controlador PI que permite controlar la posición del efector final del robot. El proyecto propuesto propone el estudio de un robot paralelo accionado por 4 cables basados en la cinemática y dinámica de los motores y mostrar las ventajas descritas anteriormente sobre los manipuladores con eslabones rígidos convencionales. Es importante mencionar que este estudio considera el diseño del robot con redundancia de actuación, es decir, más cables que grados de libertad para evitar que ciertos cables requieran mayor tensión o que el efector pueda estar flojo y perder el control en algún punto del espacio de trabajo. Los resultados de esta investigación pueden servir como una guía de diseño y control, de tal manera que aumente las contribuciones en este tema y motivar a las industrias a usar este tipo de robots y a la creación de dispositivos médicos para rehabilitación de las extremidades.

4. Hipótesis 4.1. Hipótesis N/A

4.2. Alcance 

Se realizará el estudio de los manipuladores seriales, paralelos y profundizar de manera especial en robots accionados por cables de dos grados de libertad.



Se diseñará los componentes mecánicos del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables mediante un programa de diseño 3D asistido por computador (CAD).



Se construirá el prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables con los componentes diseñados en el programa de diseño 3D asistido por computador (CAD).



Se analizará la geometría del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables para obtener el modelo cinemático y dinámico para realizar el algoritmo de control.



Se diseñará e implementará un sistema de control tipo PID en el software MATLAB a través de una memoria compartida con la ayuda de una plataforma de hardware libre ARDUINO el cual permita realizar por lo menos dos figuras predefinidas en el sistema.



Se desarrollará una interfaz gráfica en el software MATLAB que permitirá el control del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables para realizar las figuras predefinidas.



Se validará el prototipo trazando las figuras predefinidas sobre el patrón de referencia establecido.

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL VICERRECTORADO DE DOCENCIA 5. Objetivo General Diseñar, construir y controlar un prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables.

6. Objetivos específicos 

Realizar una síntesis sobre los manipuladores seriales, paralelos y profundizar de manera especial en robots accionados por cables de dos grados de libertad.



Realizar el diseño mecánico de la estructura del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables mediante un software de diseño asistido por computadora (CAD) y construir el prototipo.



Obtener el modelo cinemático y dinámico del robot paralelo accionado por 4 cables mediante las características físicas del prototipo.



Diseñar un sistema de control en el software MATLAB para realizar figuras predefinidas y desarrollar una interfaz computacional a través de una memoria compartida con la ayuda de una plataforma de hardware libre ARDUINO.



Validar el prototipo a través del trazado de las figuras sobre el patrón de referencia establecido.

7. Metodología: 1.

Fase teórica



Se realizará el estudio de los manipuladores seriales, paralelos y robots accionados por cables.



Se realizará el estudio del modelo cinemático y dinámico de un robot accionado por 4 cables.

2. Fase de diseño, análisis o implementación metodológica 

Se diseñará la estructura del robot paralelo accionado por 4 cables a través de un software de diseño asistido por computadora (CAD).



Se diseñará el algoritmo para realizar las figuras utilizando el modelo cinemático y dinámico del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables.



Se desarrollará la aplicación de memoria compartida para facilitar la comunicación entre la computadora y el prototipo.

3. Fase de simulación e implementación 

Se construirá el prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables con los componentes mecánicos obtenidos en el diseño 3D.



Se controlará el prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables mediante la aplicación de memoria compartida.



Se realizará una interface gráfica para controlar y presentar resultados de funcionamiento del robot paralelo accionado por 4 cables.

4. Fase de validación / análisis de resultados/ pruebas de funcionamiento.

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL VICERRECTORADO DE DOCENCIA 

Se realizará pruebas de funcionamiento para realizar figuras predefinidas con el prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables.



Se validará el prototipo a través del trazado las figuras sobre el patrón de referencia establecido.

5. Plan de trabajo Actividades:         

Estudio de los manipuladores seriales, paralelos y robots accionados por cables. Estudio de los manipuladores paralelos accionados por 4 cables para hallar el modelo cinemático y dinámico. Diseño de los componentes para la estructura del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables. Construcción y ensamblaje del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables. Diseño del controlador para realizar figuras predefinidas para un robot paralelo accionado por 4 cables. Diseño e implementación de la aplicación de memoria compartida para controlar el prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables. Desarrollo de la interfaz gráfica Pruebas de funcionamiento del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables. Validación del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables

Temario:   

Contenido Resumen Abstract 1. Introducción 2. Metodología 3. Resultados y Discusión 4. Conclusiones

 

Referencias Bibliográficas Anexos

9

Bibliografía

[1] N. Zhang, W. Shang, y S. Cong, «Design and analysis of an under-constrained reconfigurable cabledriven parallel robot», en 2017 IEEE International Conference on Cybernetics and Intelligent Systems (CIS) and IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics (RAM), 2017, pp. 13-18. [2] S. H. Choi y K. S. Park, «The integrated elasto-plastic cable modeling for cable driven parallel robots(CDPRs)», en 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 2017, pp. 420-422. [3] J. Yoon, S. W. Hwang, J. H. Bak, y J. H. Park, «Adaptive control for cable driven parallel robots», en 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 2017, pp. 416419.

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL VICERRECTORADO DE DOCENCIA [4] B. Long, C. Guohua, W. Liqing, y M. Jing, «Control system design and simulation of three translational parallel robot», en 2016 Asia-Pacific Conference on Intelligent Robot Systems (ACIRS), 2016, pp. 209-213. [5] M. Anson, «Cable-driven parallel manipulators with base mobility: A planar case study», PhD Thesis, State University of New York at Buffalo, 2015. [6] J. P. Merlet, «Simulation of Discrete-Time Controlled Cable-Driven Parallel Robots on a Trajectory», IEEE Trans. Robot., vol. 33, n.o 3, pp. 675-688, jun. 2017. [7] T. Bruckmann y A. Pott, Cable-driven parallel robots, vol. 12. Springer, 2012. [8] J. Piao, X. Jin, J. Jung, E. Choi, J. O. Park, y C. S. Kim, «Development of a high payload cabledriven parallel robot», en 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 2017, pp. 423-425. [9] D. Lau, T. Hawke, L. Kempton, D. Oetomo, y S. Halgamuge, «Design and analysis of 4-dof cabledriven parallel mechanism», en Proceedings of the Australasian Conference on Robotics and Automation, 2010. [10] M. Michelin, C. Baradat, D. Q. Nguyen, y M. Gouttefarde, «Simulation and Control with XDE and Matlab/Simulink of a Cable-Driven Parallel Robot (CoGiRo)», presentado en CableCon: CableDriven Parallel Robots, 2014, vol. 32, pp. 71-83. [11] J. P. Merlet, «On the workspace of suspended cable-driven parallel robots», en 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2016, pp. 841-846. [12] R. de Rijk, M. Rushton, y A. Khajepour, «Out-of-plane Vibration Control of a Planar Cable-Driven Parallel Robot using a Multi-Axis Reaction System», IEEEASME Trans. Mechatron., pp. 1-1, 2018. [13] A. Zaatri y B. Bouchemal, «Sliding mode versus PD control for cable-based robots», World J. Eng., vol. 11, n.o 3, pp. 287–296, 2014. [14] P. Oña, W. Christian, S. Muzo, y J. Fernando, «Diseño y construcción de un prototipo de robot delta para aplicaciones pick & place», dic. 2016. [15] M. Muñoz y C. Gustavo, «Diseño y simulación de un controlador de posición basado en modos deslizantes para un robot tipo Scara paralelo», oct. 2017.

Firma

Xavier Iván Aguas Haro PROPONENTE 1 Email: [email protected] Telf.: +593995678733

Firma

Marco Antonio Herrera Garzón DIRECTOR Email: [email protected] Telf.: +593984486767

Firma

Oscar Eduardo Camacho Quintero CO-DIRECTOR Email: [email protected] Telf.: +593958979551

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL VICERRECTORADO DE DOCENCIA 10 CRONOGRAMA

ACTIVIDADES

Año Total De Horas Horas

Estudio de los manipuladores seriales, paralelos y robots accionados por cables. Estudio de los manipuladores paralelos accionados por 4 cables para hallar el modelo cinemático y dinámico. Diseño de los componentes para la estructura del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables. Construcción y ensamblaje del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables. Diseño del controlador para realizar figuras predefinidas para un robot paralelo accionado por 4 cables. Diseño e implementación de la aplicación de memoria compartida para controlar el prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables. Pruebas de funcionamiento del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables para cada trayectoria. Generación de la interfaz gráfica. Análisis de resultados experimentales del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables. Validación del prototipo de robot paralelo accionado por 4 cables

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