Diseño y fabricación de un robot móvil modular con sistema de locomoción por patas

En este trabajo se realizó el diseño y la construcción de un robot móvil con locomoción por patas; este tipo de robots cuentan con la capacidad de desplazarse a través de su entorno de forma independiente. Esta área de investigación ha tenido un auge recientemente debido a las nuevas tecnologías que...

Full description

Autores:: Villamil Díaz, Leonardo

Tipo de recurso:: Trabajo de grado de pregrado

Fecha de publicación:: 2021

Institución:: Universidad de Ibagué

Repositorio:: Repositorio Universidad de Ibagué

Idioma:: spa

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description	En este trabajo se realizó el diseño y la construcción de un robot móvil con locomoción por patas; este tipo de robots cuentan con la capacidad de desplazarse a través de su entorno de forma independiente. Esta área de investigación ha tenido un auge recientemente debido a las nuevas tecnologías que permiten la creación de robots con mejores propiedades mecánicas y de control. Para el desarrollo de este proyecto se caracterizaron diferentes tipos de robots con locomoción por patas, analizando tipos de mecanismos, actuadores, sensores, modelos matemáticos, fabricación y funcionamiento; se realizó un análisis cinemático y dinámico para el diseño del mecanismo de cada pata, simulando su comportamiento a través de herramientas computacionales; Se diseño un sistema electrónico junto con la selección de los componentes requeridos para su funcionamiento; se fabricó y construyó un prototipo funcional garantizando la seguridad estructural del mismo con análisis estáticos a través de simulaciones. Se garantiza que el robot sea de bajo costo y sirva como herramienta de enseñanza del diseño de sistemas mecatrónicos. El diseño de este tipo de sistemas mecatrónicos basado en robótica, incentiva los procesos de investigación y desarrollo de nuevas tecnologías en la formación de futuros ingenieros.
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Gorrostieta-Hurtado, E. Vargas-Soto, J. Ramos- Arregu n, A. Sotomayor-Olmedo, and J. M. Morales, \Kinematic analysis for trajectory generation in one leg of a hexapod robot," Procedia Technology, vol. 3, pp. 342{350, 2012. W. Chen, G. Ren, J. Zhang, and J. Wang, \Smooth transition between different gaits of a hexapod robot via a central pattern generators algorithm," Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol. 67, no. 3-4, pp. 255{270, 2012. C.-F. Juang, Y.-H. Chen, and Y.-H. Jhan, \Wall-following control of a hexapod robot using a data-driven fuzzy controller learned through di erential evolution," IEEE Transactions on Industrial electronics, vol. 62, no. 1, pp. 611{619, 2014. D. Belter and P. Skrzypczy nski, \A biologically inspired approach to feasible gait learning for a hexapod robot," International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, vol. 20, no. 1, pp. 69{84, 2010. S. Soyguder and H. Alli, \Kinematic and dynamic analysis of a hexapod walking{running{bounding gaits robot and control actions," Computers & Electrical Engineering, vol. 38, no. 2, pp. 444{458, 2012. C.-F. Juang, Y.-C. Chang, and C.-M. Hsiao, \Evolving gaits of a hexapod robot by recurrent neural networks with symbiotic species-based particle swarm optimization," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 7, pp. 3110{3119, 2010. B. Jin, C. Chen, and W. Li, \Power consumption optimization for a hexapod walking robot," Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol. 71, no. 2, pp. 195{209, 2013. D. Belter and P. Skrzypczy nski, \Integrated motion planning for a hexapod robot walking on rough terrain," IFAC Proceedings Volumes, vol. 44, no. 1, pp. 6918{6923, 2011. A. Irawan and K. Nonami, \Compliant walking control for hydraulic driven hexapod robot on rough terrain," Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 23, no. 1, pp. 149{162, 2011. H.-W. Park, S. Park, and S. Kim, \Variable-speed quadrupedal bounding using impulse planning: Untethered high-speed 3d running of mit cheetah 2," in 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2015, pp. 5163{5170. A. S. Howe and B. Wilcox, \Outpost assembly using the athlete mobility system," in 2016 IEEE Aerospace Conference. IEEE, 2016, pp. 1{9. Y.-C. Chou, W.-S. Yu, K.-J. Huang, and P.-C. Lin, \Bio-inspired stepclimbing in a hexapod robot," Bioinspiration & biomimetics, vol. 7, no. 3, p. 036008, 2012. M. Zak, J. Rozman, and F. V. Zboril, \Overview of bio-inspired control mechanisms for hexapod robot," in 2015 15th International Conference on Intelligent Systems Design and Applications (ISDA). IEEE, 2015, pp. 160{165. A. Irawan and K. Nonami, \Optimal impedance control based on body inertia for a hydraulically driven hexapod robot walking on uneven and extremely soft terrain," Journal of Field Robotics, vol. 28, no. 5, pp. 690{ 713, 2011. R. Ingo, \Bionicwheelbot walk and roll like a ic- ac spider," festo. com/bionics, 3 2018. A. T. Baisch, P. S. Sreetharan, and R. J. Wood, \Biologically-inspired locomotion of a 2g hexapod robot," in 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2010, pp. 5360{5365. M. Hutter, C. Gehring, D. Jud, A. Lauber, C. D. Bellicoso, V. Tsounis, J. Hwangbo, K. Bodie, P. Fankhauser, M. Bloesch et al., \Anymal-a highly mobile and dynamic quadrupedal robot," in 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2016, pp. 38{44. L. Emmi, M. Gonzalez-de Soto, G. Pajares, and P. Gonzalez-de Santos, \New trends in robotics for agriculture: integration and assessment of a real eet of robots," The Scienti c World Journal, vol. 2014, 2014. J. Rossmann and M. Schluse, \Virtual robotic testbeds: A foundation for e-robotics in space, in industry-and in the woods," in 2011 Developments in E-systems Engineering. IEEE, 2011, pp. 496{501. A. Bustillo, \Los insectos y su manejo en la ca cultura colombiana. fnc { cenicaf e, chinchin a (colombia)." 04 2008. R. L. Norton, Dise~no de maquinaria. McGraw-Hill, 2016. G. Best, P. Moghadam, N. Kottege, and L. Kleeman, \Terrain classi cation using a hexapod robot," in Proceedings of the Australasian Conference on Robotics and Automation, 2013.
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spelling	García Vanegas, Jorge Andrés7124e278-a934-4877-a0af-bc160f5fa627-1Villamil Díaz, Leonardoe0b1503c-33d5-47f3-82dc-46d4297b6a60-12025-04-07T20:03:09Z2025-04-07T20:03:09Z2021En este trabajo se realizó el diseño y la construcción de un robot móvil con locomoción por patas; este tipo de robots cuentan con la capacidad de desplazarse a través de su entorno de forma independiente. Esta área de investigación ha tenido un auge recientemente debido a las nuevas tecnologías que permiten la creación de robots con mejores propiedades mecánicas y de control. Para el desarrollo de este proyecto se caracterizaron diferentes tipos de robots con locomoción por patas, analizando tipos de mecanismos, actuadores, sensores, modelos matemáticos, fabricación y funcionamiento; se realizó un análisis cinemático y dinámico para el diseño del mecanismo de cada pata, simulando su comportamiento a través de herramientas computacionales; Se diseño un sistema electrónico junto con la selección de los componentes requeridos para su funcionamiento; se fabricó y construyó un prototipo funcional garantizando la seguridad estructural del mismo con análisis estáticos a través de simulaciones. Se garantiza que el robot sea de bajo costo y sirva como herramienta de enseñanza del diseño de sistemas mecatrónicos. El diseño de este tipo de sistemas mecatrónicos basado en robótica, incentiva los procesos de investigación y desarrollo de nuevas tecnologías en la formación de futuros ingenieros.In this work, the design and construction of a mobile robot with legged locomotion was performed; this type of robot has the ability to move through its environment independently. This area of research has been increasing recently due to new technologies that allow the creation of robots with better mechanical and control properties. For the development of this project, di_erent types of robots with legged locomotion were characterized, analyzing types of mechanisms, actuators, sensors, mathematical models, manufacturing and operation; a kinematic and dynamic analysis was performed for the design of the mechanism of each leg, simulating its behavior through computational tools; an electronic system was designed along with the selection of the components required for its operation; a functional prototype was manufactured and built, guaranteeing its structural safety with static analysis through simulations. The robot is guaranteed to be low cost and serve as a teaching tool for the design of mechatronic systems. The design of this type of mechatronic systems based on robotics, encourages research and development processes of new technologies in the training of future engineers.PregradoIngeniero Mecánico1. Introducción.....14 1.1. Motivación y Antecedentes.....14 1.1.1. Motivación.....14 1.1.2. Antecedentes.....15 1.2. Objetivos.....17 1.2.1. Objetivo general.....17 1.2.2. Objetivos específicos.....17 1.3. Estructura del documento.....17 2. Estado del arte.....19 2.1. Robótica móvil.....19 2.2. Robótica con patas.....19 2.2.1. Clasificación.....20 2.2.2. Aplicaciones.....22 3. Diseño de mecanismos.....23 3.1. Descripción y nomenclatura.....23 3.2. Análisis cinemático y dinámico.....24 3.2.1. Análisis de posición.....25 3.2.2. Análisis de velocidad.....27 3.2.3. Análisis de aceleración.....29 3.3. Análisis de fuerzas dinámicas.....31 4. Prototipado del robot.....35 4.1. Sistema electrónico.....35 4.1.1. Actuador.....36 4.1.2. Controlador de potencia.....38 4.1.3. Unidad de control electrónico.....40 4.1.4. Sensor de proximidad.....41 4.1.5. Módulo de comunicación.....41 4.1.6. Fuente de alimentación.....42 4.2. Sistema mecánico.....43 4.2.1. Soporte.....44 4.2.2. Trocanter.....44 4.2.3. Coxav45 4.2.4. Femur.....46 4.2.5. Eslabón 4.....47 4.2.6. Tibia.....48 4.2.7. Tarsos.....49 4.2.8. Uña.....49 4.2.9. Chasis.....50 4.2.10. Soporte de batería.....51 4.2.11. Elementos de máquina.....51 4.2.12. Ensamblaje del robot.....52 4.3. Proceso de fabricación.....57 4.3.1. Impresión 3D.....57 4.3.2. Material de impresión (Filamento).....58 4.3.3. Software de impresión 3D.....59 5. Resultados experimentales.....62 5.1. Resultados de simulación.....62 5.2. Análisis estático.....67 5.3. Generación de movimiento.....74 5.3.1. Movimiento de una pata.....74 5.3.2. Movimiento del robot.....75 5.4. Aspecto del robot.....81 5.4.1. Evaluación de movimiento.....81 5.4.2. Componentes diseñados.....82 5.4.3. Vistas del robot final.....83 5.5. Presupuesto.....83 5.6. Caracterización.....84 6. Conclusiones y trabajos futuros.....85 6.1. Conclusiones.....85 6.2. Trabajos Futuros.....8689 páginasapplication/pdfVillamil Diaz, L. (2021). Diseño y fabricación de un robot móvil modular con sistema de locomoción por patas. [Trabajo de grado, Universidad de Ibagué]. https://hdl.handle.net/20.500.12313/4973https://hdl.handle.net/20.500.12313/4973spaUniversidad de IbaguéIngenieríaIbaguéIngeniería MecánicaP. Voosen, \Martian chronicler," 2020.E. Guizzo, \By leaps and bounds: An exclusive look at how boston dynamics is rede ning robot agility," IEEE Spectrum, vol. 56, no. 12, pp. 34{39, 2019.S. F. Roberts and D. E. Koditschek, \Rhex slips on granular media," IEEE, 2016.M. de las Mercedes Manzanares Molina, \Dise~no y prototipado de un robot hex apodo de bajo coste," Universidad de Castilla-La Mancha, 9 2017, an optional note.K. Michael, \Meet boston dynamics' ls3-the latest robotic war machine," The University of Wollongong, 2012.H. Zhang, Y. Liu, J. Zhao, J. Chen, and J. Yan, \Development of a bionic hexapod robot for walking on unstructured terrain," Journal of Bionic Engineering, vol. 11, no. 2, pp. 176{187, 2014.Y. Zhu, T. Guo, Q. Liu, Q. Li, and R. Yan, \A study of arbitrary gait pattern generation for turning of a bio-inspired hexapod robot," Robotics and Autonomous Systems, vol. 97, pp. 125{135, 2017.M. Garc a-L opez, E. Gorrostieta-Hurtado, E. Vargas-Soto, J. Ramos- Arregu n, A. Sotomayor-Olmedo, and J. M. Morales, \Kinematic analysis for trajectory generation in one leg of a hexapod robot," Procedia Technology, vol. 3, pp. 342{350, 2012.W. Chen, G. Ren, J. Zhang, and J. Wang, \Smooth transition between different gaits of a hexapod robot via a central pattern generators algorithm," Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol. 67, no. 3-4, pp. 255{270, 2012.C.-F. Juang, Y.-H. Chen, and Y.-H. Jhan, \Wall-following control of a hexapod robot using a data-driven fuzzy controller learned through di erential evolution," IEEE Transactions on Industrial electronics, vol. 62, no. 1, pp. 611{619, 2014.D. Belter and P. Skrzypczy nski, \A biologically inspired approach to feasible gait learning for a hexapod robot," International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, vol. 20, no. 1, pp. 69{84, 2010.S. Soyguder and H. Alli, \Kinematic and dynamic analysis of a hexapod walking{running{bounding gaits robot and control actions," Computers & Electrical Engineering, vol. 38, no. 2, pp. 444{458, 2012.C.-F. Juang, Y.-C. Chang, and C.-M. Hsiao, \Evolving gaits of a hexapod robot by recurrent neural networks with symbiotic species-based particle swarm optimization," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 7, pp. 3110{3119, 2010.B. Jin, C. Chen, and W. Li, \Power consumption optimization for a hexapod walking robot," Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol. 71, no. 2, pp. 195{209, 2013.D. Belter and P. Skrzypczy nski, \Integrated motion planning for a hexapod robot walking on rough terrain," IFAC Proceedings Volumes, vol. 44, no. 1, pp. 6918{6923, 2011.A. Irawan and K. Nonami, \Compliant walking control for hydraulic driven hexapod robot on rough terrain," Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 23, no. 1, pp. 149{162, 2011.H.-W. Park, S. Park, and S. Kim, \Variable-speed quadrupedal bounding using impulse planning: Untethered high-speed 3d running of mit cheetah 2," in 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2015, pp. 5163{5170.A. S. Howe and B. Wilcox, \Outpost assembly using the athlete mobility system," in 2016 IEEE Aerospace Conference. IEEE, 2016, pp. 1{9.Y.-C. Chou, W.-S. Yu, K.-J. Huang, and P.-C. Lin, \Bio-inspired stepclimbing in a hexapod robot," Bioinspiration & biomimetics, vol. 7, no. 3, p. 036008, 2012.M. Zak, J. Rozman, and F. V. Zboril, \Overview of bio-inspired control mechanisms for hexapod robot," in 2015 15th International Conference on Intelligent Systems Design and Applications (ISDA). IEEE, 2015, pp. 160{165.A. Irawan and K. Nonami, \Optimal impedance control based on body inertia for a hydraulically driven hexapod robot walking on uneven and extremely soft terrain," Journal of Field Robotics, vol. 28, no. 5, pp. 690{ 713, 2011.R. Ingo, \Bionicwheelbot walk and roll like a ic- ac spider," festo. com/bionics, 3 2018.A. T. Baisch, P. S. Sreetharan, and R. J. Wood, \Biologically-inspired locomotion of a 2g hexapod robot," in 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2010, pp. 5360{5365.M. Hutter, C. Gehring, D. Jud, A. Lauber, C. D. Bellicoso, V. Tsounis, J. Hwangbo, K. Bodie, P. Fankhauser, M. Bloesch et al., \Anymal-a highly mobile and dynamic quadrupedal robot," in 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2016, pp. 38{44.L. Emmi, M. Gonzalez-de Soto, G. Pajares, and P. Gonzalez-de Santos, \New trends in robotics for agriculture: integration and assessment of a real eet of robots," The Scienti c World Journal, vol. 2014, 2014.J. Rossmann and M. Schluse, \Virtual robotic testbeds: A foundation for e-robotics in space, in industry-and in the woods," in 2011 Developments in E-systems Engineering. IEEE, 2011, pp. 496{501.A. Bustillo, \Los insectos y su manejo en la ca cultura colombiana. fnc { cenicaf e, chinchin a (colombia)." 04 2008.R. L. Norton, Dise~no de maquinaria. McGraw-Hill, 2016.G. Best, P. Moghadam, N. Kottege, and L. 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Diseño y fabricación de un robot móvil modular con sistema de locomoción por patas

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