Desarrollo e implementación de una plataforma robótica móvil de bajo costo para aplicaciones en el sector agrícola en terrenos irregulares
El desarrollo de una plataforma robótica móvil de bajo costo para terrenos irregulares busca responder a las limitaciones de movilidad en el sector agrícola. El objeto de este trabajo fue desarrollar e implementar una plataforma capaz de operar eficientemente en terrenos agrícolas, alineándose con l...
- Autores:
-
Cano Molina, Santiago
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2025
- Institución:
- Instituto Tecnológico Metropolitano
- Repositorio:
- Repositorio ITM
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.itm.edu.co:20.500.12622/7957
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/20.500.12622/7957
- Palabra clave:
- 630 - Agricultura y tecnologías relacionadas::631 - Técnicas específicas, aparatos, equipos, materiales
Robótica
Tecnología agrícola
Diseño mecánico
Robótica móvil
Terrenos irregulares
Rocker‐Bogie
Agricultura de precisión
Plataforma robótica económica
Tecnología agrointeligente
ODS 9: Industria, innovación e infraestructura. Construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible y fomentar la innovación
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- openAccess
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El desarrollo de una plataforma robótica móvil de bajo costo para terrenos irregulares busca responder a las limitaciones de movilidad en el sector agrícola. El objeto de este trabajo fue desarrollar e implementar una plataforma capaz de operar eficientemente en terrenos agrícolas, alineándose con la necesidad de acceder a tecnologías modernas adaptadas a las condiciones geográficas de entornos montañosos. La metodología utilizada incluyó el diseño mecánico, la integración de microcontroladores y un sistema de comunicación Bluetooth para la teleoperación. El enfoque fue de investigación aplicada con diseño experimental. Se implementó un sistema de suspensión tipo Rocker‐Bogie, asegurando adaptabilidad y estabilidad sin necesidad de amortiguadores activos. Los componentes estructurales se fabricaron con materiales económicos como tubería de PVC y piezas impresas en PLA y TPU (para las llantas bioinspiradas). El control se centralizó en un microcontrolador ESP32 y la teleoperación se logró mediante una aplicación móvil diseñada en App Inventor. Se realizaron pruebas de campo en entornos controlados y naturales. Los principales resultados demuestran la capacidad destacada de la plataforma para adaptarse a diversas superficies irregulares. El prototipo superó con éxito obstáculos (tuberías) y pendientes de hasta 28.13° sin experimentar fallos estructurales, electrónicos o de conectividad en rangos operativos cercanos. Los cálculos validaron la adecuación del motor seleccionado y se estimó una autonomía energética de 1.59 horas. Las conclusiones indican que la plataforma es una herramienta viable, económica y adaptable para mejorar las operaciones agrícolas en terrenos difíciles. El diseño Rocker‐Bogie demostró ser eficaz para mantener la estabilidad y la tracción continua. El proyecto contribuye al avance de tecnologías agrointeligentes con potencial para optimizaciones futuras, como el ajuste de la suspensión para obstáculos más complejos y la incorporación de sensores inerciales y odometría para la navegación autónoma. |
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Abdul Manap, N. M., & Ismail, N. W. (2019). FOOD SECURITY AND ECONOMIC GROWTH. International Journal of Modern Trends in Social Sciences, 3(3), 108‐118. https://doi.org/10.35631/IJMTSS.280011 Bayar, G., Koku, A. B., & Konukseven, E. I. (2015). Dynamic modeling and parameter estimation for traction, rolling, and lateral wheel forces to enhance mobile robot trajectory tracking. Robotica, 33(10), 2204‐2220. https://doi.org/10.1017/ S0263574714001386 Jana, A. K. (2019). Modeling and analysis of a rocker‐bogie system to improve its performance. International Journal for Research in Applied Science and Engineering Technology, 7(10), 714‐721. https://doi.org/10.22214/ijraset.2019. 10110 |
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International Journal for Research in Applied Science and Engineering Technology, 7(10), 714‐721. https://doi.org/10.22214/ijraset.2019. 10110https://hdl.handle.net/20.500.12622/7957El desarrollo de una plataforma robótica móvil de bajo costo para terrenos irregulares busca responder a las limitaciones de movilidad en el sector agrícola. El objeto de este trabajo fue desarrollar e implementar una plataforma capaz de operar eficientemente en terrenos agrícolas, alineándose con la necesidad de acceder a tecnologías modernas adaptadas a las condiciones geográficas de entornos montañosos. La metodología utilizada incluyó el diseño mecánico, la integración de microcontroladores y un sistema de comunicación Bluetooth para la teleoperación. El enfoque fue de investigación aplicada con diseño experimental. Se implementó un sistema de suspensión tipo Rocker‐Bogie, asegurando adaptabilidad y estabilidad sin necesidad de amortiguadores activos. Los componentes estructurales se fabricaron con materiales económicos como tubería de PVC y piezas impresas en PLA y TPU (para las llantas bioinspiradas). El control se centralizó en un microcontrolador ESP32 y la teleoperación se logró mediante una aplicación móvil diseñada en App Inventor. Se realizaron pruebas de campo en entornos controlados y naturales. Los principales resultados demuestran la capacidad destacada de la plataforma para adaptarse a diversas superficies irregulares. El prototipo superó con éxito obstáculos (tuberías) y pendientes de hasta 28.13° sin experimentar fallos estructurales, electrónicos o de conectividad en rangos operativos cercanos. Los cálculos validaron la adecuación del motor seleccionado y se estimó una autonomía energética de 1.59 horas. Las conclusiones indican que la plataforma es una herramienta viable, económica y adaptable para mejorar las operaciones agrícolas en terrenos difíciles. El diseño Rocker‐Bogie demostró ser eficaz para mantener la estabilidad y la tracción continua. El proyecto contribuye al avance de tecnologías agrointeligentes con potencial para optimizaciones futuras, como el ajuste de la suspensión para obstáculos más complejos y la incorporación de sensores inerciales y odometría para la navegación autónoma.The development of a low-cost mobile robotic platform for irregular terrains aims to address mobility limitations in the agricultural sector. The objective of this work was to develop and implement a platform capable of operating efficiently in agricultural environments, aligning with the need to access modern technologies adapted to the geographic conditions of mountainous areas. The methodology included mechanical design, integration of microcontrollers, and a Bluetooth communication system for teleoperation. The approach was applied research with an experimental design. A Rocker-Bogie suspension system was implemented, ensuring adaptability and stability without the need for active shock absorbers. The structural components were made from affordable materials such as PVC pipes and 3D-printed PLA and TPU parts (for bio-inspired tires). Control was centralized in an ESP32 microcontroller, and teleoperation was achieved through a mobile application developed in App Inventor. Field tests were conducted in both controlled and natural environments. The main results demonstrate the platform’s remarkable ability to adapt to various irregular surfaces. The prototype successfully overcame obstacles (pipes) and slopes of up to 28.13° without experiencing structural, electronic, or connectivity failures within operational ranges. The calculations validated the suitability of the selected motor, and the estimated energy autonomy was 1.59 hours. The conclusions indicate that the platform is a viable, economical, and adaptable tool to improve agricultural operations in challenging terrains. The Rocker-Bogie design proved effective in maintaining stability and continuous traction. The project contributes to the advancement of smart agricultural technologies, with potential for future optimization such as suspension adjustments for more complex obstacles and the incorporation of inertial sensors and odometry for autonomous navigation.1. INTRODUCCIÓN 7 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Organización de la Tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. MARCO TEÓRICO 10 Arquitectura de Hardware y Software en Plataformas Robóticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Sistemas de Suspensión y Movilidad en Terrenos Irregulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Robótica Móvil y su Aplicación en la Agricultura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3. METODOLOGÍA 13 Enfoque metodológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Estructura general y alineación con los objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 FASE 1: Diseño e implementación del sistema de suspensión Rocker‐Bogie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Revisión del estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Análisis de requisitos operacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Diseño CAD del sistema mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Selección de materiales y componentes estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Memorias de cálculo mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Fabricación y ensamblaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Validación preliminar de movilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Presentación del BOM de la capa de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 FASE 2: Desarrollo del algoritmo de gestión y control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Especificación de componentes electrónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Arquitectura del sistema embebido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Interfaz de usuario para el control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Implementación del firmware en ESP32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Integración y Procesamiento de Datos del Sensor Inercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Consideraciones de alcance y estabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 FASE 3: Implementación del sistema de comunicación Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Diseño de la interfaz móvil en App Inventor (capa de comunicaciones) . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Protocolo de comandos App–Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Configuración del módulo Bluetooth SPP en ESP32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Validación de conectividad y alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 FASE 4: Evaluación del rendimiento en pruebas de campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Objetivo y alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Diseño del protocolo experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Configuración de escenarios y aparejos de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Procedimiento experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Criterios de evaluación y variables a registrar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Limitaciones y consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 32 Evaluación del sistema en pruebas de campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Discusión técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Movilidad y estabilidad frente a obstáculos y pendientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Tracción en superficies blandas y mixtas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Correspondencia con el dimensionamiento previo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Teleoperación y estabilidad del enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Comparación con trabajos relacionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Fortalezas y limitaciones del desempeño observado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Implicaciones y trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5. CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO 35 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Ingeniero(a) Mecatrónico(a)Pregrado35 páginasapplication/pdfspaInstitución Universitaria ITMFacultad de IngenieríasIngeniería MecatrónicaDepartamento de Mecatrónica y Electromecánica::Ingeniería MecatrónicaMedellínCampus Robledohttps://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2630 - Agricultura y tecnologías relacionadas::631 - Técnicas específicas, aparatos, equipos, materialesRobóticaTecnología agrícolaDiseño mecánicoRobótica móvilTerrenos irregularesRocker‐BogieAgricultura de precisiónPlataforma robótica económicaTecnología agrointeligenteODS 9: Industria, innovación e infraestructura. Construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible y fomentar la innovaciónDesarrollo e implementación de una plataforma robótica móvil de bajo costo para aplicaciones en el sector agrícola en terrenos irregularesTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85TextPublicationORIGINALCarta_de_autorizacion_Santiago_Cano_2025.pdfCarta_de_autorizacion_Santiago_Cano_2025.pdfapplication/pdf162672https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/db87d4b2-94b6-4932-b65e-ba20da1beca6/download00193e2ab28d0777679508743f5e819fMD51falseAnonymousREADSantiago_Cano_Molina_2025.pdfSantiago_Cano_Molina_2025.pdfapplication/pdf2266308https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/d1e6c93e-790c-45c3-9df3-c8305cbb5189/downloadf41d2331caa45e3392a68c5b3c14adcbMD52trueAnonymousREADLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81406https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/3dcd6975-cd01-4460-8db9-2c785497a827/download7734e4171dd7ba1c98e697a13b9e06ebMD53falseAnonymousREADTEXTCarta_de_autorizacion_Santiago_Cano_2025.pdf.txtCarta_de_autorizacion_Santiago_Cano_2025.pdf.txtExtracted texttext/plain4297https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/4aa2c8be-cf18-4a93-a119-d14315409124/downloadc7beb351246ce49f019f3459b59a68c7MD54falseAnonymousREADSantiago_Cano_Molina_2025.pdf.txtSantiago_Cano_Molina_2025.pdf.txtExtracted texttext/plain102168https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/99c0b02d-9c06-4d1e-94c3-24f15a767263/download47762b2103c6373121506cbca9453bf4MD56falseAnonymousREADTHUMBNAILCarta_de_autorizacion_Santiago_Cano_2025.pdf.jpgCarta_de_autorizacion_Santiago_Cano_2025.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg12988https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/6dc3b0e6-192d-49e2-8a21-a99cfdb161b8/downloadc10db248bdb344a932eef3155fe80498MD55falseAnonymousREADSantiago_Cano_Molina_2025.pdf.jpgSantiago_Cano_Molina_2025.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg7246https://repositorio.itm.edu.co/bitstreams/0f7a4595-ae76-4655-9fae-7bc469d8c824/downloadc8b6085abcd15d3789163a6a5edd7bfeMD57falseAnonymousREAD20.500.12622/7957oai:repositorio.itm.edu.co:20.500.12622/79572025-10-17 14:23:00.395https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/open.accesshttps://repositorio.itm.edu.coRepositorio Instituto Tecnológico Metropolitano de Medellínbdigital@metabiblioteca.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 |