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3er Congreso Diseño Mecatrónico aplicado a la Robótica Andrés Felipe Navas Ingeniero Mecatrónico [email protected] [email protected]

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Page 1: Tecnicas Diseño Concurrente para robots

3er Congreso Internacional de Ingeniería Mecatrónica Universidad Autónoma de Bucaramanga – 2011

Diseño Mecatrónico aplicado a la Robótica

Andrés Felipe NavasIngeniero Mecatrónico

[email protected]@robotekltda.com

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La ingeniería mecatrónica se ha desarrollado mediante la aplicación de técnicas de diseño modernas para la creación de dispositivos inteligentes que poseen gran nivel de integración de tecnologías. La robótica entonces puede ser analizada desde el punto de vista mecatrónico y desarrollada bajo la perspectiva multidisciplinaria que ésta requiere.

IntroducciónIntroducción

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Electrónica

MecatrónicaMecatrónica

Informática

Control

Control Digital

Circuitería de Control

Electromecánica

CAD

Mecánica

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Robótica

Informática

ElectrónicaMecánica

Física

MatemáticaAutomática

De esta manera la robótica como tal se apoya en la Mecatrónica como metodología de diseño a la hora de la construcción de éstas máquinas

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Diseño MecatrónicoDiseño Mecatrónico

Dentro del concepto de diseño mecatrónico se pretende un enfoque organizativo de todos los elementos que intervienen tanto en el desarrollo del producto como en el proceso productivo desde la idea inicial hasta el desarrollo final, de manera simultánea, asegurando condiciones funcionales, estructurales, de fabricación, mantenimiento, entre otras; esta definición de diseño también conocida como concurrente implica:

• La integración de equipos de trabajo multidisciplinarios.

• El uso de herramientas computacionales para el desarrollo, cooperación e integración de las actividades.

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Desarrollo del ProyectoDesarrollo del Proyecto

A continuación se presentará una metodología para el diseño de robots basada en técnicas concurrentes y bajo una perspectiva mecatrónica, con el fin de desarrollar robots autónomos siguiendo las diferentes etapas necesarias para la elaboración de proyectos.

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ConcurrenciaConcurrenciaDurante el desarrollo del proyecto es posible volver a etapas anteriores si el diseño lo requiere; por ejemplo, durante la etapa de prueba y refinamiento puede llegar a surgir la necesidad de cambiar algún concepto, volviendo a la etapa de desarrollo conceptual o de diseño a nivel de sistema. Sin embargo como éste es un proyecto multidisciplinario puede darse el caso de cambiar conceptos de partes que no afecten directamente otros subsistemas. Por lo tanto las etapas del proyecto no son una línea continua; existe la posibilidad de volver a etapas anteriores para ajustar el diseño a las especificaciones y características deseadas.

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Dentro de la etapa de planificación se realiza una descripción y un análisis QFD (Quality Function Deployment:

Despliegue de la Función de Calidad.) del problema de diseño, así como sus especificaciones; aquí se debe tener en cuenta un análisis de mercado donde los posibles clientes o usuarios manifiestan sus necesidades y/o requerimientos de ingeniería para el robot. Es de mencionar que en este punto deben identificarse las restricciones de producción así como el establecimiento de algunas cadenas de suministros.

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Requerimientos y Requerimientos y definiciones de un cliente definiciones de un cliente tipo tipo usuariousuario

También existen otro tipo de clientes que generan sus propios requerimientos como el re p re s e nta nte d e m a nufa c tura o e l inve rs io nis ta ; donde los requerimientos pueden ser técnicos o pueden limitar el proyecto y el diseño, en tiempo y dinero.

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En el desarrollo conceptual se realiza el análisis funcional del producto identificando sus funciones y subfunciones principales, se generan, seleccionan y prueban conceptos y ha de aplicarse una evaluación a dichos conceptos seleccionados; y adicionalmente se realizan algunos cálculos de ingeniería necesarios para el desarrollo y prueba de éstos conceptos. Deben analizarse otro tipo de robots existentes que cumplen tareas similares a las especificadas. (Benchmarking)

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Descomposición FuncionalDescomposición Funcional

Los conceptos generados nacen de subfunciones que describen el funcionamiento del robot; sin embargo estos conceptos pueden ser muy variados pues existen muchos elementos físicos que cumplan con determinada función (Función: Locomoción – Conceptos: motor DC, motor AC, motor PaP, actuador hidráulico, etc.).

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Selección de ConceptosSelección de Conceptos

Cada concepto que se obtiene debe ser ponderado dentro de una matriz de tamizaje, luego debe ser evaluado y probado; desarrollando finalmente el conjunto de conceptos apropiado y su interacción entre ellos; en este punto se deben realizar los cálculos de ingeniería con el fin de seleccionar materiales y partes según las especificaciones obtenidas luego del QFD.

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Selección de ConceptosSelección de Conceptos

Conceptos para la pata de un robot de exploración.

Matriz de tamizaje en la selección de conceptos.

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Para la etapa de diseño a nivel de sistema se ha de establecer la arquitectura del producto y se hace una descomposición de los sistemas que hacen parte del proyecto; se desarrolla y refina el robot desde el punto de vista del diseño industrial y se estiman algunos distribuidores y canales de compra de elementos necesarios, tales como sensores, actuadores, controladores, entre otros.

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Interacción entre elementosInteracción entre elementos

Para definir la arquitectura del robot se deben revisar las interacciones entre elementos, de modo que sea claro cuáles elementos se deben agrupar conformando diferentes módulos.

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Interacciones IncidentalesInteracciones Incidentales

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Durante el d is e ño d e ta lla d o se debe definir la distribución geométrica para los sistemas mecánicos, electrónicos y de control que tendrá el robot, además hay que brindar una explicación detallada de los mismos desarrollando sus respectivos prototipos. Se deben definir los procesos de producción de las piezas y circuitos, su diseño para mecanizado y los procesos de aseguramiento de la calidad. Se debe realizar un análisis de co-diseño Hardware-Software

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Distribución GeométricaDistribución GeométricaLa distribución geométrica nace luego de analizar la forma de los elementos que conforman cada conjunto y sus interacciones.

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Diseño detalladoDiseño detalladoAhora es importante hacer una revisión del diseño desde el punto de vista industrial y de manufactura.La mejor forma de lograr una valoración de diseño industrial consiste en realizar un análisis de las necesidades ergonómicas (todos los aspectos que tienen que ver con el contacto del producto con las personas), así como también de las necesidades estéticas (relacionadas con el impacto visual del producto).Estas consideraciones son de gran importancia pues resaltan aspectos como la facilidad de uso, la calidad de las interfaces con el usuario, la seguridad y la apariencia física, características de suma importancia para un usuario final y que brindan un valor agregado al producto.

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Diseño para manufacturaDiseño para manufactura

Dentro del análisis de diseño para manufactura debe tomarse en cuenta la distribución geométrica propuesta y verificar si realmente es posible ubicar los elementos donde se ha propuesto (revisión de bridas, soportes, conectores, etc.). Es muy importante tener en cuenta la facilidad de ensamble de cada elemento, así como su acceso para mantenimiento.

Si el robot ha de ser producido en masa deben analizarse los tiempos de ensamble y su facilidad para armado y desarmado, buscando así una reducción del costo de producción.

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Diseño detalladoDiseño detalladoEs importante concebir todos los planos, ensambles y subensambles en programas CAD como el AutoCad, SolidWorks, SolidEdge, etc; éstos son de gran ayuda para realizar prototipos virtuales, útiles para la mejora del diseño y de la distribución geométrica de los elementos; incluso en algunos casos existe la posibilidad de corroborar cálculos de resistencia mecánica de las partes y de su comportamiento dinámico apoyándose en paquetes CAE.

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En la etapa de p rue ba y re fina m ie nto se realizan las pruebas de fiabilidad, tiempo de vida y desempeño; además se implementan cambios en el diseño necesarios para la mejora del robot; es importante refinar el proceso de aseguramiento de la calidad en este punto.

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Prototipado virtualPrototipado virtualEn este momento al modelar todas las piezas y partes que componen el robot es posible realizar los subensambles para verificar el ensamble general del robot. Es importante modelar espacialmente dónde y cómo se ubicarán los componentes electrónicos que irán montados en la estructura mecánica del robot.

Cabe anotar que todas las etapas de diseño mencionadas se han de realizar en conjunto para el desarrollo de los elementos mecánicos y electrónicos del robot pues de eso depende que la sinergia del sistema sea exitosa.

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Prototipado físicoPrototipado físico

Cuando todas las partes y piezas han sido modeladas y evaluadas se procede a construir el prototipo físico y completo (producto final) donde interactuán los sistemas mecánicos y electrónicos.En ésta etapa también se corrigen problemas por algunas interacciones incidentales que no fueron analizadas previamente, al probar todos los subsistemas funcionando en conjunto.

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En esta etapa se analiza el proceso de producción masiva del robot, se organizan líneas de producción utilzando los recursos existentes en planta u organizando un proyecto de actualización de planta y equipos para la fabricación del producto.

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Desarrollo de SoftwareDesarrollo de Software

El desarrollo del software de control se realiza sobre el robot partiendo de muchas premisas del diseño como su geometría y estructura física. Generalmente es necesario desarrollar un software embebido (firmware) que se encontrará residente en la memoria interna del dispositivo y se encargará del control de sus actuadores, leer sensores y tomar decisiones que le confieran cierto nivel de “inteligencia” al robot. También se desarrolla un software para monitoreo y programación del robot a través de un computador personal, permitiéndole al robot una interfaz directa con el usuario. En robots móviles es muy usual encontrar conexiones inalámbricas para que el robot se comunique con el usuario (PC), informe su estado y solicite alguna acción.

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Se presenta a la robótica como una disciplina que colecciona y utiliza diversas herramientas de la ingeniería como la mecánica, electrónica, el control y la informática, por esto la ingeniería mecatrónica puede dar un soporte efectivo y óptimo al desarrollo de éstos dispositivos.Aprovechando el enfoque de diseño concurrente para el desarrollo de dispositivos mecatrónicos se propone una metodología de diseño para robots tanto fijos como móviles.El diseño industrial y para manufactura da un balance entre lo estético y lo económico para hacer al robot llamativo y funcional.

ConclusionesConclusiones

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• Galvis, N. Rojas, E. Navas, A. (2002). Robot manipulador de tipo semindustrial, proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecatrónico. Corporación Universitaria Autónoma de Occidente, Cali.• Méndez, A. (2003). Curso de Diseño Mecatrónico I y II, notas de clase para curso de pregrado en Ingeniería Mecatrónica. Corporación Universitaria Autónoma de Occidente, Cali.• Pava, H-Y. (2009). Sistema robótico de entretenimiento e interacción entre humano y hámster “RoboCUY”, proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecatrónico. Universidad Autónoma de Occidente, Cali.• Rojas, A. Salazar, F. (2003). Robot de exploración Bioinspirado con sistema de visión artificial “CICLOPE”, proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecatrónico. Corporación Universitaria Autónoma de Occidente, Cali.• Ulrich, K. Eppinger, S. (2000). Product Design and Development, Second Edition. McGraw Hill. Boston.• Berkeley U. “Mechatronics and robotics”. http://www.me.berkeley.edu/ Grad/Areas/ME_Main_Frame_Mechatronics.htm

ReferenciasReferencias

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Robot NEA144Robot NEA144

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Mano Robótica ACOMano Robótica ACO

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RoboCuyRoboCuy

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CiclopeCiclope

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