“diseño de un robot serpiente con articulaciones y ruedas...

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

“Diseño de un robot serpiente con articulaciones y ruedas actuadas”

César Pineda-Leonardoa, Yukihiro Minami-Koyamaa

aTaller de Robótica Abierta, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, 04510, México.

*César Pineda Leonardo. Dirección de correo electrónico: [email protected]

R E S U M E N

Un robot serpiente es un mecanismo robótico diseñado para emular los movimientos de una serpiente biológica. Gracias a

su extraordinaria capacidad de desplazamiento en casi cualquier terreno, las serpientes han servido de inspiración para

intentar resolver el problema, cada vez más creciente, de movilidad robótica en entornos de desastre, aplicándolo al diseño

y construcción de robots de búsqueda y rescate. Este artículo presenta el desarrollo del diseño mecánico de un robot

serpiente para exploración en zonas de desastre. El robot consiste de siete módulos mecánicamente conectados mediante

articulaciones actuadas que permite a cada módulo realizar movimientos de cabeceo y guiñada, además se cuenta con un

sistema de tracción implementando mediante ruedas activas independientes en cada módulo.

Palabras clave: robot serpiente, entorno de desastre, robots de búsqueda y rescate.

A B S T R A C T

Snake-like robots are robotic mechanisms designed for moving like biological snakes. Due to their extraordinary

displacement ability in almost any environment, biological snakes have inspired many robot designers for building robots

that could solve the increasing problem of robotic mobility in disaster environments and perform rescue and exploration

tasks. This article presents the mechanical design process of a snake robot for exploration in disaster environments. The

final result is a robot composed by seven modules mechanically connected by active joints that allow modules to perform

pitch and yaw movement, additionally each module has its own traction system implemented by independent active wheels.

Keywords: snake robot, disaster environment, rescue and search robots.

1 Introducción

Debido a su extraordinaria capacidad de desplazamiento

en casi cualquier terreno, las serpientes han servido de

inspiración para intentar resolver el problema, cada vez

más creciente, de movilidad robótica en entornos de

desastre, construyendo robots móviles multi-articulados

conocidos como robots serpiente.

Figura 1 Comparativa de un robot convencional con una serpiente.

Imagen tomada de [11].

Se puede establecer que los robots serpiente son

mecanismos que consisten típicamente de una serie de

módulos mecánicamente conectados mediante

articulaciones actuadas. Generalmente, dichas

articulaciones permiten el movimiento relativo entre

módulos; de cabeceo y guiñada (conocidos como pitch y

yaw, respectivamente) necesarios para la evasión de

obstáculos en el plano horizontal y vertical, una

combinación de ambas articulaciones permite el

desplazamiento en tres dimensiones.

En las siguientes secciones de este artículo se presenta el

desarrollo del diseño mecánico de un robot serpiente

constituido por siete módulos interconectados

mecánicamente por articulaciones actuadas que permiten

el movimiento de cabeceo y guiñada. Adicionalmente los

siete módulos cuentan con un sistema de tracción

independiente implementado mediante dos ruedas de alta

adherencia propulsadas por un mismo eje.

2 Planteamiento y análisis del problema

2.1 Planteamiento del problema

En general, el diseño de cualquier dispositivo mecánico

que se desee construir para la exploración en entornos de

desastre parte del problema que estos tienen para navegar

a través de las irregularidades del terreno, evadir

obstáculos y atravesar resquicios demasiado pequeños, así

ISSN 2448-5551 DM 230 Derechos Reservados © 2018, SOMIM


como la detección de víctimas vivas atrapadas en el

interior de escombros. Debido a que el problema de

navegación así como la detección de víctimas vivas son

por sí mismos altamente complejos, se decidió enfocar

esta investigación a resolver el problema de navegación.

Análisis del problema

Debido a lo heterogéneo que resulta ser el entorno en el

que se tiene que navegar para acceder al interior de

edificios derrumbados, se planteó un escenario hipotético

para diseñar esta primera versión del robot serpiente. En

términos generales, se busca satisfacer los siguientes

puntos:

Sobrepasar obstáculos de hasta 40 cm de altura.

Pasar por orificios de 20 cm de diámetro.

Cruzar superficies separadas por un espacio libre

de 40 cm de longitud.

Desplazarse por superficies planas con una

pendiente de 45°.

3 Búsqueda de soluciones

De acuerdo a Liljebäck et ál. (2014) [5] se espera que los

robots serpiente sean candidatos para realizar tareas de

búsqueda y rescate en zonas de desastre, inspección y

mantenimiento en plantas industriales. Es por ello que se

realizó una investigación para conocer el desarrollo actual

de este tipo de robots [5,7, 8 y 9]. A continuación, se

muestra la lista de características de los diferentes tipos de

robot serpiente:

Únicamente con articulaciones actuadas.

Ruedas libres y articulaciones actuadas.

Ruedas actuadas y articulaciones libres.

Ruedas actuadas y articulaciones pasivas.

Articulaciones actuadas y tracción con orugas.

Como se aprecia en la lista, todos los robots serpiente

están articulados. Las articulaciones actuadas permiten el

movimiento relativo entre módulos, de cabeceo y guiñada

necesarios para la evasión de obstáculos en los planos

horizontal y vertical.

Para el desplazamiento de robots serpiente que

únicamente cuentan articulaciones actuadas y ningún

sistema de tracción, es necesario generar un movimiento

sinusoidal relativo entre cada módulo con determinada

amplitud, velocidad angular y ángulo de desfase, logrando

que el robot describa una trayectoria muy parecida a una

espiral. Sin embargo, para lograr una velocidad de

desplazamiento relativamente buena, es necesario utilizar

una buena cantidad de módulos, por lo que el número de

articulaciones se incrementa y convierte al robot difícil de

controlar [5].

Por otro lado, como se aprecia en la lista anterior, existen

robots serpiente cuyos módulos cuentan con algún tipo de

sistema de tracción implementando mediante ruedas u

orugas. Esto resulta especialmente interesante pues

combina ventajas del paradigma de diseño de los robots

convencionales con el de los robots serpiente. Lo anterior,

suprime la necesidad de utilizar un número relativamente

elevado de módulos, así como el diseño e implementación

de un controlador comparativamente más complejo para

su desplazamiento [7].

Con base en el planteamiento y análisis del problema así

como el estudio del estado de la técnica, se propusieron

algunas soluciones conceptuales para elegir qué tipo de

robot serpiente conviene desarrollar. Dichas propuestas

fueron evaluadas conforme a ciertos criterios de selección

debidamente ponderados por desarrolladores de robots

más experimentados que colaboran en el Taller de

Robótica Abierta de la Facultad de Ingeniería de la

UNAM.

El resultado final fue que es más conveniente desarrollar

un robot serpiente con articulaciones actuadas y además

con un sistema de tracción implementado mediante ruedas

e independiente para cada módulo. Lo primero debido a

que la implementación de ruedas resulta

comparativamente más económica (en sentido amplio)

que un sistema de tracción basado en orugas. Igualmente

se concluyó que conviene implementar articulaciones que

permitan el movimiento de cabeceo y guiñada.

4 Consideraciones para el diseño de detalle

Una vez definido el tipo de robot serpiente a construir, se

realizó, en primer lugar, una estimación del par de torsión

requerido en cada articulación que conecta a los módulos.

Lo segundo fue la elección de los actuadores que se

deberían utilizar, lo cual derivó en el uso de motores de

corriente directa (CD) debido a sus características de

tamaño compacto, peso ligero y facilidad de control.

Finalmente y con base en los puntos anteriores, se eligió

qué tipo de transmisión mecánica conviene implementar

para cada caso (pitch, yaw y tracción) y con ello poder

realizar algunas propuestas de configuración mecánica. A

continuación, se argumenta la selección de dichas

transmisiones y se muestran los cálculos asociados.

Cálculo de los pares de torsión requeridos

4.1 Sistema de tracción

Dado que se pretende que el robot cuente con un sistema

de tracción independiente para cada módulo, se planteó

que dicho sistema de tracción sea capaz de, al menos,

mover al módulo en el que se encuentra montada la

transmisión. En la figura 2 se muestra el diagrama de

cuerpo libre que incluye las fuerzas y el par de torsión



presentes en un módulo cuando éste se encuentra

ascendiendo una pendiente de 45°. Para determinar el par

requerido se aplicaron las ecuaciones 1 a 3.

𝐼𝑒𝑟 : momento de inercia de los elementos

rodantes en un módulo (ruedas, engranes,

bridas, etc.)

𝛼𝑒𝑟: aceleración angular de los elementos

rodantes en un módulo

𝑟𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎: radio de las ruedas

𝑊𝑚: peso de un módulo

𝑚𝑚: masa de un módulo

𝜏𝑚: par de torsión requerido para mover un

módulo

𝑁: fuerza de reacción normal del suelo

𝐹: fuerza de reacción tangencial del suelo

𝑔: constante de aceleración gravitacional.

Σ𝑀 = 𝐼𝑒𝑟 ∙ 𝛼𝑒𝑟 (1)

Σ𝐹 = 𝑚𝑚 ∙ 𝑎𝑚 (2)

𝑟𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 ∙ 𝛼𝑒𝑟 = 𝑎𝑚 (3)

𝜏𝑚 + 𝐹 ∙ 𝑟𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 = 𝐼𝑒𝑟 ∙ 𝛼𝑒𝑟 (4)

−𝑊𝑚 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜃) + 𝐹 = 𝑚𝑚 ∙ 𝑎𝑚 (5)

(𝐼𝑒𝑟

𝑟𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎+ 𝑟𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 ∙ 𝑚𝑚) 𝑎𝑚 + 𝑟𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 ∙ 𝑚𝑚 ∙ cos 𝜃 ∙ 𝑔 = 𝜏𝑚 (6)

Con base en las ecuaciones.4 y 5 se define el valor del par

de torsión requerido a la salida del sistema de tracción de

cada módulo.

Figura 2 Fuerzas y par de torsión presentes al ascender una

pendiente de 45°.

La ecuación 6 describe el comportamiento del par de

torsión asociado a la transmisión de tracción, el cual es la

suma del par dinámico (coeficiente de 𝑎𝑚) y el par estático

(coeficiente de 𝑔). En general, los valores obtenidos para

el par dinámico fuero comparativamente bajos en relación

con el estático, debido a que se planteó que el robot

alcanzara una velocidad lineal de desplazamiento de

0.25 𝑚

𝑠 en un lapso de 3 𝑠 , es decir, una aceleración

promedio de 0.08 𝑚

𝑠. Sin embargo, es evidente que el

modelo anterior no contempla las irregularidades del

terreno sobre las que el robot deberá cruzar. Es por ello

que se consideró que el par de torsión de diseño fuera el

doble al par estático, ya que este último resulta

predominante en el modelo anterior. Con ello se obtuvo el

resultado de la ecuación 9.

𝜏𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 2 ∙ 𝜏𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑜 (7)

𝜏𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 2(0.11) 𝑁 ∙ 𝑚 (8)

𝜏𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 0.22 𝑁 ∙ 𝑚 (9)

4.2 Sistema de cabeceo (pitch)

Figura 3 Fuerza y par de torsión presentes para sostener tres

módulos en el plano vertical.

El cálculo del par de torsión requerido para la transmisión

del sistema de cabeceo se realizó bajo la misma

consideración que el sistema de tracción, esto es,

aplicando la ecuación 7. Para obtener el par estático es

necesario analizar la figura 3, cuyo desarrollo se muestra

en las ecuaciones 10 a 13. En dicha figura, se considera

un caso extremo en el que un módulo tiene que sostener a

tres módulos que no están tocando el suelo y estos forman

un ángulo de inclinación de 0° con respecto a la

horizontal.

𝜏𝑝 − 𝐿 ∙ 𝑊𝑇 = 0 (10)

𝜏𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 2 ∙ 𝐿 ∙ 𝑚𝑇 ∙ 𝑔 (11)

El valor final del par de torsión de diseño (𝜏𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 ) se

obtuvo una vez que se seleccionó y desarrollo

detalladamente la configuración mecánica, de donde se

obtuvieron dos valores importantes: 𝐿 = 40 𝑐𝑚 y 𝑚𝑇 =5.1 𝑘𝑔. Donde 𝑚𝑇 es la suma de las masas de los tres

módulos.

𝜏𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 2 (0.4 𝑚) (5.1 𝑘𝑔) (9.81 𝑚

𝑠2) (12)

𝜏𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 40.03 𝑁 ∙ 𝑚 (13)



4.3 Sistema de guiñada (yaw)

De manera similar a los procedimientos anteriores, se

realizó el cálculo del par de torsión requerido para la

transmisión de guiñada. Con base en el diagrama de

cuerpo libre mostrado en la figura 4 se obtiene la ecuación

14. Dicha figura muestra la vista superior del robot, donde

el módulo central rota a los tres módulos “siguientes”,

mismos que se encuentran tocando el suelo. Dicho primer

módulo se encuentra, a su vez, conectado a tres módulos

“anteriores” (no apreciables en la figura).

𝜏𝑦 − 𝑅1 ∙ (𝐿 − 𝑑) − 𝑅2(2𝐿 − 𝑑) − 𝑅3(3𝐿 − 𝑑) = 0 (14)

Para determinar la magnitud de las reacciones 𝑅1, 𝑅2 y 𝑅3

es necesario conocer el coeficiente de fricción estático (µ)

producto de la interacción de las ruedas y el suelo. Dicho

coeficiente se estimó como µ = 0.5, por lo que la ecuación

14 se puede expresar como se muestra en la ecuación 15.

𝜏𝑦 = 𝜇 ∙ 𝑔(𝑚1(𝐿 − 𝑑) + 𝑚2(2𝐿 − 𝑑) + 𝑚3(3𝐿 − 𝑑)) (15)

Figura 4 Fuerzas y par de torsión presentes para mover tres

módulos en el plano horizontal.

El valor final del par de torsión de diseño (𝜏𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 ) ,

ecuación 16, se obtuvo una vez que se seleccionó y

desarrollo detalladamente la configuración mecánica, de

donde se obtuvieron los valores: 𝐿 = 20 𝑐𝑚, 𝑑 = 5 𝑐𝑚,

𝑚1 = 2 𝑘𝑔 , 𝑚2 = 1.7 𝑘𝑔 , y 𝑚3 = 1.4 𝑘𝑔 . Además de

que se aplicó la ecuación 7.

𝜏𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 16.63 𝑁 ∙ 𝑚 (16)

4.4 Selección de la transmisión mecánica del sistema

de tracción

Se llegó a la conclusión de que el acomodo de los motores

de corriente directa resulta más adecuado si estos se

distribuyen a lo largo del robot, por lo que se requiere de

alguna transmisión capaz de transmitir potencia a través

de ejes cruzados tanto para la transmisión del sistema de

tracción como el de cabeceo (ya que ambos son

coaxiales).

Tomando en cuenta que los motores de CD seleccionados

cuentan con el suficiente par de torsión, se requiere una

transmisión sin reducción. Para este fin resaltan dos

trasmisiones: los engranes cónicos y los engranes

helicoidales cruzados. Se eligió utilizar engranes

helicoidales cruzados ya que, además de que los ejes no

se intersecan, son utilizados para transmitir bajas cargas a

bajas velocidades [10]. El sistema de tracción de los

módulos de las propuestas de la configuración mecánica

A, B y C incluyen una transmisión de engranes

helicoidales cruzados a 90°.

4.5 Selección de la transmisión mecánica del sistema

de cabeceo

Una de las trasmisiones mecánicas que actualmente tiene

amplia aplicación en la industria de la robótica y

aeroespacial son los reductores armónicos (harmonic

drive, en inglés). El reductor armónico es un tipo especial

de transmisión mecánica cuyo funcionamiento se basa en

la deformación radial de un engrane flexible acoplado a

un engrane rígido con dentado interior. Dentro de sus

principales características destacan la ausencia de holgura

entre dientes de engranes, altas reducciones de velocidad

en un espacio compacto, peso ligero y alta eficiencia [6].

Su aplicación en un robot serpiente definitivamente sería

ideal, sin embargo, los precios de los reductores

armónicos en el mercado son relativamente elevados. Es

por ello que se optó por una transmisión que ofreciera

características similares en cuanto a proporcionar una alta

reducción en un espacio compacto. La transmisión de

tornillo sinfín corona se caracteriza por este requerimiento

cuando el tornillo sinfín es de una sola rosca, a pesar de

que su eficiencia mecánica es comparativamente baja [3].

El sistema de cabeceo de los módulos de las propuestas

de la configuración mecánica A, B y C incluyen una

transmisión de tornillo sinfín y corona.



5 Propuestas de la configuración mecánica

Con base en los requerimientos planteados, la propuesta

conceptual seleccionada y las transmisiones mecánicas

elegidas, se realizaron tres propuestas de la configuración

mecánica. En términos de la mecánica, la diferencia

estriba en las transmisiones utilizadas para el sistema de

guiñada y las dimensiones generales de los robots y con

ello los motores de CD utilizados. Sin embargo, las

propuestas comparten las siguientes características:

Las transmisiones del sistema de tracción y del

sistema de cabeceo son coaxiales

El chasis y los brazos que los conectan está

hechos de placa de aluminio 6061 de 6.05 mm de

espesor

Los ejes y engranes están hechos de acero 1018

(debido a su amplio uso comercial)

Los tornillos sinfín están hechos de acero 1020

cementado, ya que cuentan con una dureza

superficial superior a los 58 HRC y las coronas

de bronce fosforado

El sistema de tracción de se implementó

mediante dos ruedas de 15 cm de diámetro

fabricadas de hule de alta adherencia y acopladas

a un mismo eje.

Propuesta A

Figura 5 (a) Vista isométrica y (b) vista superior de la propuesta A

de la configuración mecánica del robot serpiente.

La propuesta A, figura 5, consta de módulos de 19 y 26

cm de ancho conectados alternadamente, esto con el fin de

maximizar a ±30° el espacio de trabajo de la articulación

de guiñada. Dicha articulación está implementada con una

transmisión de tornillo sinfín y corona, cuyo motor está

15° inclinado con respecto a la horizontal. El eje de giro

de la transmisión de guiñada equidista de los ejes de giro

de la transmisión del sistema de tracción, es decir, se

encuentran justo en medio. Los módulos tienen una

distancia de separación de 18 cm. El espacio de trabajo de

la articulación de cabeceo es de +45° a -65°,

implementada con una transmisión sinfín y corona.

Figura 6 (a) Vista isométrica y (b) vista superior de la propuesta B


Propuesta B

La propuesta B, figura 6, utiliza módulos de dimensiones iguales de 19.5 cm de ancho y separados 24.5 cm. Al igual que la propuesta A, el sistema de guiñada está implementado con una transmisión de tornillo sinfín y corona, de mayores capacidades debido a que la distancia de separación entre módulos es mayor. El espacio de trabajo para esta articulación es de ±45° mientras que para la articulación de cabeceo es de 90 a -45°.

Propuesta C

El sistema de guiñada de la propuesta C, figura 7, consta

de una transmisión compuesta por una polea y una banda

dentada en la primera etapa y engranes cónicos rectos en

la segunda. Al igual que la propuesta A, módulos de 23 y

30 cm de ancho están alternadamente conectados con el

fin de ampliar a ±30° el espacio de trabajo de la

articulación asociada a dicha transmisión. La distancia

entre módulos es de 20 cm y el espacio de trabajo de la

articulación del sistema de cabeceo va de 90 a -65°.

Figura 7 (a) Vista isométrica y (b) vista superior de la propuesta C


6 Diseño de detalle

Para elegir la opción de las configuraciones mecánicas

que mejor podrían resolver el problema de exploración en

zonas de desastre, se realizó una evaluación de las

propuestas con base en determinados criterios de

selección debidamente ponderados, por ejemplo:

movilidad articular, dimensiones, facilidad de maquinado,

entre otros. Con lo anterior la propuesta B resultó como la



mejor evaluada. Sin embargo, se analizaron aquellos

criterios en los que dicha propuesta tenía baja puntuación,

ya que es conveniente destacar lo mejor de cada opción

para reforzar a la opción ganadora. Con ello se concluyó

que las dimensiones generales de la propuesta B era algo

que se debía reducir. Con esta idea en mente se realizó el

diseño de detalle y se modificaron las siguientes

características:

En la propuesta B, los rodamientos de la corona

del sistema de cabeceo están apoyados en el

chasis del módulo. En el diseño final los

rodamientos se apoyan sobre el eje de tracción,

con lo que se logró reducir el ancho de los

módulos.

En la propuesta B, el eje de giro de la articulación

del sistema de guiñada se encuentra justo en

medio de la conexión de dos módulos, es decir, a

12.25 cm. En el diseño final la distancia se ajusta

a d = 5 cm (ver figura 4), con lo que se logró

reducir la distancia entre módulos a 20 cm.

Las capacidades de carga de las transmisiones de

los sistemas de cabeceo y guiñada de los

módulos se diseñaron de acuerdo al número de

módulos que deben mover. Por ejemplo, el

segundo módulo sólo debe mover al primero, el

tercer módulo a los dos primeros y los módulos

centrales deben mover a los primeros tres. Con

ello se utilizan motores y transmisiones acorde a

las necesidades de carga.

Diseño de las transmisiones

6.1 Diseño de los tornillos sinfín y corona

Una de las ventajas del conjunto tornillo sinfín y corona

es la capacidad de ser auto-bloqueante. Esto se garantiza

cuando el ángulo de avance del sinfín es menor o igual a

5° y si el sinfín es de una sola rosca. Sin embargo, la

eficiencia mecánica de la transmisión disminuye

considerablemente, resultando entre el 50 y 60%. La

eficiencia se incrementa a medida que el ángulo de avance

también se incrementa, esto se logra aumentando el

número de roscas del tornillo sinfín. Pero, la relación de

reducción de velocidad se comporta de acuerdo a la

ecuación 17, la cual indica que, a mayor número de roscas

del sinfín, mayor número de dientes se requieren en la

corona para una reducción de velocidad constante. Esto es

especialmente interesante pues el tamaño y peso de la

corona podrían incrementar en más del doble, con lo que

el peso del módulo aumentaría en esa misma proporción.

Con estas ideas en mente y con los datos de pares de

torsión calculados en la sección 4, se diseñó una

transmisión de tornillo sinfín de una sola rosca y sin

buscar el auto-bloqueo. Como ejemplo de su

implementación se muestra la figura 8 en la que se aprecia

el conjunto terminado del tornillo sinfín y corona para un

módulo central en el sistema de cabeceo. De igual manera

se incluyen las tablas 1 y 2, en las que se despliega a

detalle los parámetros geométricos de la corona y del

tornillo sinfín, respectivamente.

𝑟 =𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 (𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎)

𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑠𝑐𝑎𝑠 (𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑠𝑖𝑛𝑓í𝑛) (17)

Tabla 1 Datos de la corona.

Parámetro Valor Unidad

Número de dientes 18 -

Módulo normal 2.5 mm

Ángulo de presión normal 14.5 °

Diámetro de raíz 39.215 mm

Diámetro de garganta 50 mm

Diámetro exterior 52.5 mm

Ángulo de hélice 7.5 °

Mano de la hélice Derecha -

Ancho de cara 14 mm

Diámetro del barreno 19 mm

Tabla 2 Datos del tornillo sinfín.


Número de roscas (arranques) 1 -

Ángulo de avance 7.5 °

Paso axial 7.85 mm


Diámetro de paso 19 mm

Diámetro exterior 24 mm

Ángulo de hélice 7.5 °


Longitud de la rosca 30 mm

6.2 Diseño de los engranes helicoidales cruzados

Figura 8 Vista lateral de la transmisión tornillo sinfín y corona

para el sistema de cabeceo.

Para el diseño de los engranes helicoidales cruzados es

necesario contemplar ciertas consideraciones; a



continuación, se listan las que resultan especialmente

interesantes.

La mano de la hélice tiene que ser la misma para

ambos engranes, ya sea izquierda o derecha.

El esfuerzo se concentra en un solo punto del

diente del engrane.

Dado que los ejes se cruzan formando un ángulo

de 90°, el ángulo de hélice de ambos engranes

debe ser de 45°.

Figura 9 Vista isométrica del sistema de tracción implementado

por engranes helicoidales cruzados.

Con base en el par de torsión calculado en la sección 4, se

diseñó el par de engranes helicoidales cruzados a 90° con

relación 1:1, ya que el motor de CD (con caja de reducción

propia) asociado a dicha transmisión posee suficiente par

de torsión. Cabe mencionar que el tamaño del engrane se

ajustó a que tuviera un barreno pasado de 10 mm de

diámetro. La tabla 3 muestra los parámetros más

importantes y la figura 9 muestra su implementación en

un módulo del robot.

Tabla 3 Datos de los engranes helicoidales cruzados.


Número de dientes 14 -

Módulo normal 1 mm

Ángulo de presión normal 20 °


Diámetro exterior 21.799 mm

Ángulo de hélice 45 °


Ancho de cara 12 mm

Diámetro del barreno 10 mm

Longitud del cubo 8 mm

Material Acero 1018 -

7 Resultados y conclusiones

La figura 10 muestra las dimensiones finales del robot

serpiente, la distancia entre módulos es de 20 cm y el

ancho de los mismos es de 18 cm. Debido a que el robot

está compuesto de siete módulos, la longitud total del

robot es de 140 cm, totalmente extendido. El espacio de

trabajo de las articulaciones para los sistemas de cabeceo

y guiñada va de 90 a -65° y ±40°, respectivamente. Por

otro lado, se eligió esta cantidad de módulos para

brindarle mayor estabilidad al robot, ya que cuando uno

de los módulos centrales levante a alguno de los dos

conjuntos de tres módulos en los extremos, habrá cuatro

módulos en tierra.

En cuanto al desempeño en campo del robot se refiere,

cabe mencionar que los objetivos trazados sobre la

evasión de obstáculos y paso a través de resquicios se

cumplieron sin problema alguno. Sin embargo, existen

orificios aún más pequeños, menores a 20 cm de diámetro

en los que el robot es incapaz de navegar. Una segunda

versión del robot podría incluir reductores armónicos que

permitan un diseño aún más compacto.

Figura 10 Características de la configuración mecánica final del

robot serpiente.

Por otro lado, si bien las capacidades de movilidad del

robot son comparativamente elevadas en relación con un

robot diferencial con un sistema de tracción con orugas,

los robots serpiente cuentan con una gran cantidad de

motores, para este caso tres de corriente directa en cada

módulo, resultando en un total de 21 motores de CD para

el robot completo. Ello se tradujo, por un lado, en un costo

elevado de fabricación y por otro un consumo energético

resultó igualmente alto, medido de casi 20 A continuos

para el sistema de tracción en una prueba demandante.

Figura 11 Diseño final del robot serpiente.



Agradecimientos

Investigación realizada gracias al Programa UNAM–

DGAPA–PAPIIT IT102518 “Robots móviles para la

exploración e inspección de zonas con movilidad

restringida”.

REFERENCIAS

[1] Tadokoro, S.. (2010). Rescue Robotics. Japón,

Springer.

[2] Krick, E. (1979). Introducción a la ingeniería y al

diseño en la ingeniería. México, Limusa. [3] Mott, R., (2006). Diseño de elementos de máquinas. 4ª ed. México, Pearson Educación. 2006.

[4] Hibbeler, R. (2017). Capítulo 1. En Mecánica de

Materiales (p. 47). México, Pearson.

[5] Liljebäck, P., Pettersen, K., Stavdahl, Ø., Gravdahl, J..

(2014). Snake Robots: Modelling, Mechatronics, and

Control. Noruega, Springer. [6] Wikipedia contributors. (2018, April 11). Harmonic

drive. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved

23:32, 2018, mayo 18, 2018, recuperado de

https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Harmonic_dri

ve&oldid=835850946

[7] Pfotzer, L., Ruehl, S., Heppner, G., Roennau, A.,

Dillmann, R. (2014, diciembre 5). KAIRO 3: A Modular

Reconfigurable Robot for Search and Rescue Field

Missions. IEEE International Conference on Robotics

and Biomimetics, 14, pp. 205-210. [8] Murugendran, B., Transeth, A., and Fjerdingen, S.. (2009, octubre 11). Modeling and Path-following for a Snake Robot with Active Wheels. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 09, pp. 3643-3650. [9] Tanaka, M., Tanaka, K.,. (2013, noviembre 3).

Climbing and Descending Control of a Snake Robot on

Step Environments based on Kinematics. IEEE/RSJ

International Conference on Intelligent Robots and

Systems, 13, pp. 3285-3290.

[10] Radzevich, S. (2012). Dudley’s Handbook of

Practical Gear Design and Manufacture. New York: CRC

Press.

[11] H. Kimura, S. Hirose and K. Shimizu, "Stuck evasion

control for active-wheel passive-joint snake-like mobile

robot 'genbu'," Robotics and Automation, 2004.

Proceedings. ICRA '04. 2004 IEEE International

Conference on, New Orleans, LA, USA, 2004, pp. 5087-

5092.


https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Harmonic_drive&oldid=835850946

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