trabajo fin de m aster: banco de pruebas instrumentado...

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID

Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales

Trabajo Fin de Master:

Banco de pruebas instrumentado pararobots moviles terrestres

Jose Angel Lopez Belloso

Directores del trabajo fin de master:

Antonio Barrientos CruzJorge de Leon Rivas

Septiembre 2018

“El estudio y, en general, la busqueda de la verdad y la bellezaconforman un area donde podemos seguir siendo ninos toda la vida.”

Albert Einstein

I

Agradecimientos

Son muchas las personas a las que he de agradecer que salga adelante este pro-yecto, en primer lugar, a mi tutor externo del TFM Jorge de Leon Rivas, a mi noviaClara Arroita Garcıa, a mi hermano Antonio Lopez Belloso y su novia Sara DuqueFernandez por su apoyo y ayuda a lo largo de todo el proyecto, a mi amigo DavidGutierrez Vivas por su colaboracion y ayuda en ROS, a Pablo Horno Perez por serun gran amigo y querer formar parte de esto ayudandome en la programacion, a mispadres, familia y amigos no mencionados.

Y dedico un parrafo especial para agradecerle a D. Felix Eugenio Gomez Ayusodos cosas, por un lado, su ayuda en este proyecto con el aparato matematico demanera simetrica al TFG, y por otro lado, nuevamente agradecerle el gran esfuerzoque ha puesto los ultimos anos para que yo haya llegado donde estoy ahora, sin elno habrıa sido posible.

III

Resumen

En este trabajo fin de master, se plantea el diseno mecanico, fabricacion y controlde un banco de pruebas movil para su utilizacion en la investigacion y desarrollo depruebas de movilidad de diferentes robots.

Estos bancos de pruebas son herramientas que simulan fielmente las condicionesreales de funcionamiento que va a tener el robot, esto permite la extraccion de datospara ir obteniendo conclusiones que posteriormente se conviertan en modificacionesy ajustes antes de que el robot real sea probado en el entorno para el que ha sidofabricado.

Este banco de pruebas se compone de tres partes: una primera parte mecanicacapaz de recrear las situaciones de movimiento a las que se enfrentara el robot, unasegunda parte electronica de control que dote de movimiento a dicho dispositivo yuna tercera parte formada por el software que se ha desarrollado y el control demovimiento mediante OptitrackTM. Todas estas partes funcionaran conjuntamentepara conseguir que el robot no se desplace del lugar cuando haga uso de su sistemade locomocion.

Se ha comenzado realizando en este trabajo una busqueda de informacion detodos aquellos robots principalmente destinados a la busqueda y rescate que requie-ran de bancos de pruebas moviles para su validacion, entre ellos se pueden encontrar:

El Cheetah disenado y fabricado en el MIT, robot bio-inspirado que imita losmovimientos que tiene un guepardo pudiendo alcanzar velocidades de hasta22 kilometros por hora.

El Petman disenado y construido por Boston Dynamics, esta destinado a pro-bar la resistencia y durabilidad de la ropa destinada a la proteccion de personasen ambientes peligrosos.

El Atlas disenado por Boston Dynamics, al igual que el robot Petman en cola-boracion con el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, esta enfocadoa la busqueda y rescate en entornos militares.

V

RESUMEN

(c) Robot Cheetah. (d) Robot Petman.

(e) Robot Atlas.

Figura 1: Robots que utilizan bancos de pruebas para su funcionamiento o validacion.

Los bancos de pruebas moviles y los entornos controlados de estos tres robotsson los que han servido de inspiracion para este proyecto. Dentro del conjunto delos bancos de pruebas para robots, se pueden encontrar dos tipos de arquitecturasfundamentales:

Bancos de prueba moviles: Estos bancos de prueba, estan formados por unabanda de goma, que va rodeando dos o mas rodillos que trasmiten el movi-miento.

Entornos controlados: Este tipo de entorno busca recrear posibles situacionesa las que el robot se debera enfrentar cuando desempene la funcion para laque ha sido disenado. Estos entornos se emplean en fases finales de validacion,ya que los sistemas de seguridad son mas escasos que en los bancos de prueba.

Una vez que se ha obtenido la busqueda de informacion, tanto de los robotscomo de sus bancos de validacion, se ha procedido a realizar una comparacion delos mismos donde se han analizado los puntos fuertes y debiles de cada uno.

Con estos nuevos resultados se ha realizado un diseno y analisis del banco depruebas que satisfagan las necesidades planteadas para este proyecto, el resultadoes el que se puede observar en la figura 2.

VI Jose Angel Lopez Belloso

RESUMEN

Figura 2: Aspecto final del banco de pruebas.

De esa manera se ha realizado un analisis desde un punto de vista de disenoestructural (geometrico) que defina la estructura y elementos fijos y un analisis des-de un punto de vista cinematico que defina el comportamiento de esa estructuraen movimiento, ası como las caracterısticas y necesidades de todos los elementosmoviles, como es el motor, los cilindros, la banda, etc.

El primero de los calculos principales en este trabajo ha sido el cinematico delmotor, donde se han calculado las siguientes caracterısticas:

La excitacion del motor que mejor satisfaga las necesidades de este proyecto,ya bien sea en serie o en paralelo.

El calculo de las masas e inercias de cada uno de los elementos.

Los calculos de aceleracion y velocidad que va a soportar la cinta.

Y por ultimo, el calculo final de la potencia necesaria para el motor.

El segundo de los calculos principales para este proyecto ha sido el calculo deestructuras, donde se han calculado los perfiles del chasis para que aguantaran lacarga total, formada por el propio chasis, el robot, la banda de rodadura, los rodillos,etc.

Una vez completados los trabajos de diseno y montaje, se han incorporado unaserie de sistemas de seguridad para que, llegado el caso de que la cinta no funcionecorrectamente, se minimice el impacto que tenga ese mal funcionamiento sobre elrobot y sobre dicha cinta.

Una vez que se ha completado el diseno mecanico de la cinta, se ha procedido aimplementar el sistema de control de la misma que realimenta la posicion del robotrespecto a la posicion fija de la cinta. Para esta realimentacion se ha utilizado elsistema OptitrackTMque se encarga de la captacion de movimiento, funcionando encolaboracion con el software Tracking Tools encargado de hacer el seguimiento de

Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) VII

RESUMEN

los objetos.

Este sistema esta formado por un conjunto de camaras infrarrojas de alta velo-cidad calibradas para un espacio y posicion concretas. Todas estas camaras estancomunicadas entre sı, creando en su conjunto un espacio de trabajo con la formaaproximada de una esfera.

Para poder validar el buen funcionamiento del banco de pruebas se han realizadoun conjunto de experimentos con distintos robots para tareas de busqueda y rescate.Este conjunto de robots tienen diferentes sistemas de locomocion, como son: ruedas,orugas, y dos tipos de patas (de arana y en forma de C ) figura 3.

(a) Pruebas robot Cleg (b) Pruebas robot de orugas.

(c) Pruebas robot de ruedas. (d) Pruebas robot arana.

Figura 3: Pruebas realizadas con robots para busqueda y rescate.

Debido a las limitaciones de movimiento de la cinta (solo en el eje de avance), laspruebas solo han sido realizadas en una direccion, sin embargo, a pesar de ser soloun eje de desplazamiento, se pueden realizar numerosas pruebas, sobre todo paracomprobar las reacciones ante aceleraciones y desaceleraciones.

VIII Jose Angel Lopez Belloso

RESUMEN

Las pruebas tenıan una duracion de entre 60 y 120 segundos, se especificaron 3modelos de prueba: una solo de aceleracion, una de desaceleracion y una ultima quecontempla aceleracion y desaceleracion.

En todas las pruebas cada 20 segundos, desde el inicio, se realiza una modifica-cion en la consigna de velocidad y se esperan otros 20 segundos para ver si el sistemaes capaz de estabilizarse.

Para comprobar la fiabilidad del sistema, si un robot es capaz de superar unaprueba, se realiza una nueva prueba con un incremento mayor en cada paso paraverificar hasta que punto es capaz el sistema de adaptarse al robot.

La arquitectura del sistema de control se basa en un control en lazo cerradodonde la accion de control depende de la salida en el estado anterior.

Este sistema se ha creado para que reaccione y compense las perturbaciones quepudiera tener el sistema. Debido a que el robot que se coloca sobre la cinta va a tenerconstantes variaciones de velocidad, y se va a tener, por consiguiente, una contınuaperturbacion debido a esto.

Mediante este lazo cerrado se tiene una realimentacion, haciendo que la salida yla entrada se comparen y dependan la una de la otra. Todo esto lo que pretende esestabilizar el sistema y reducir lo mas posible las perturbaciones. De esta manera,el sistema no dejara de realizar su funcion (reducir la distancia entre el centro delrobot y el centro la cinta) hasta no haber alcanzado el objetivo buscado y volvera aponerse en funcionamiento cuando sea preciso volver a minimizar dicha distancia.

La referencia del sistema sera la posicion del robot en todo momento respecto alcentro de la cinta, que se va a restar a la salida controlada por el Optitrack. El errorpor tanto que se introducira en el control PID (5.4) sera su diferencia, y una vez quese tenga la salida del control, se pasara por medio de una consigna de velocidad almotor de la cinta para que este proporcione una salida del sistema que, nuevamente,sera medida por el OptitrackTM, creandose ası el lazo de realimentacion (figura 4)que ha sido programado en un nodo de ROS en el lenguaje C++.

Figura 4: Arquitectura del sistema de control.

Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) IX

RESUMEN

Codigos UNESCO

[330419] - ROBOTICA

[120323] - LENGUAJES DE PROGRAMACION

[331102] - INGENIERIA DE CONTROL

[330412] - DISPOSITIVOS DE CONTROL

[120702] - SISTEMAS DE CONTROL

Palabras clave

ROS, sistemas operativos, robotica, control, librerıa, modos de marcha, bancos deprueba, sistemas de seguridad, validacion de caracterısticas.

X Jose Angel Lopez Belloso

Indice general

Agradecimientos III

Resumen V

Lista de figuras XV

Lista de tablas XIX

1. Introduccion 11.1. Motivacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3. Aportaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4. Estructura de la memoria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Estado del arte 52.1. Banco de pruebas moviles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2. Entornos controlados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3. Bancos de pruebas desarrollados para otros robots . . . . . . . . . . . 10

2.3.1. The Cheetah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.2. Petman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.3. Atlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.4. Achires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4. Robots de busqueda y rescate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4.1. Robot Hexapodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.2. Robot Jaguar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4.3. Robot Summit XL de Robotnik R© . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4.4. Robot Arana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5. Metodos para monitorizacion de posicion tridimensional . . . . . . . . 192.5.1. OptitrackTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5.2. ViconTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3. Diseno y analisis del banco de pruebas 233.1. Analisis geometrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2. Estructura principal (chasis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.3. Calculo de estructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.4. Metodos de sujecion del: rodillo, tambor, sistema tensor y tablero de

apoyo de la banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

XI

INDICE GENERAL

3.5. Sistema de grabacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.6. Sistema de transmision de movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.6.1. Banda de rodadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.6.2. Correa de trasmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.6.3. Poleas de trasmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.7. Elementos conducidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.7.1. Rodillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.7.2. Tambor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.7.3. Rodamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.8. Sistemas de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.9. Calculos del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.9.1. Excitacion serie/paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.9.2. Calculo de las masas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.9.3. Calculo de las inercias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.9.4. Calculo de la aceleracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.9.5. Calculo de la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.9.6. Calculo de la potencia necesaria en el motor . . . . . . . . . . 45

3.10. Electronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.11. Sensores de barrera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.12. Variador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4. Captacion de movimiento 494.1. Calibracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.1.1. Comunicacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2. Camaras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.3. Tracking Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.4. Trackables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5. Control y comunicacion del sistema 615.1. Arquitectura del sistema de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.2. ROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.2.1. Paquete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.2.2. ROScore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.2.3. Nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.2.4. Topicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.2.5. Paquete VRPN Client ROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.3. Tratamiento de los datos del paquete VRPN . . . . . . . . . . . . . . 655.3.1. Esquema del paquete (ROS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.4. Control PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.5. Variador del motor y el arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.6. Tratamiento de los datos del paquete rosserial . . . . . . . . . . . . . 695.7. Paquete de control de la cinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.8. Paquete recopilacion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.9. Pruebas realizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.9.1. Definicion de las pruebas realizadas . . . . . . . . . . . . . . . 725.9.2. Robots con patas en forma de C . . . . . . . . . . . . . . . . 725.9.3. Robots con orugas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

XII Jose Angel Lopez Belloso

INDICE GENERAL

5.9.4. Robot con ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.9.5. Robot arana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6. Montaje 776.1. Soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6.1.1. Escuadras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.1.2. Tensor y soporte del rodillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.1.3. Soporte del tambor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.2. Sistema sujecion de la camara de monitorizacion. . . . . . . . . . . . 816.3. Optitrack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826.4. Tipos de anclaje entre perfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846.5. Tablero de la cinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846.6. Seta de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7. Planificacion temporal y presupuestos 877.1. Planificacion temporal (Gantt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877.2. Presupuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

7.2.1. Recursos materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937.2.2. Recursos humanos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937.2.3. Recursos informaticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947.2.4. Costes totales del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

8. Conclusiones y lıneas futuras. 978.1. Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 978.2. Lıneas futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

A. Planos 99

A. Hojas de caracterısticas 109

A. Codigo 113A.1. Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113A.2. Control cinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116A.3. Escritor de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) XIII

INDICE GENERAL

XIV Jose Angel Lopez Belloso

Indice de figuras

1. Robots que utilizan bancos de pruebas para su funcionamiento o va-lidacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI

2. Aspecto final del banco de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII3. Pruebas realizadas con robots para busqueda y rescate. . . . . . . . . VIII4. Arquitectura del sistema de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

2.1. Robot fijo, modelo IRB120 de ABB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2. Clasificacion de los robots segun el medio de desplazamiento [27]. . . 52.3. Sistemas convencionales de locomocion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4. Robots zoomorfos inspirados en animales. . . . . . . . . . . . . . . . 72.5. Esquema de las fases de validacion de un robot. . . . . . . . . . . . . 82.6. Bancos de pruebas moviles (cinta de correr) robot Cheetah. . . . . . . 92.7. Entorno de pruebas controlado para robots moviles (superficie irre-

gular) [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.8. Banco de pruebas moviles del robot Cheetah [32]. . . . . . . . . . . . 112.9. Entorno controlado del robot Cheetah [32]. . . . . . . . . . . . . . . . 112.10. Banco de pruebas moviles (robot Petman) [30]. . . . . . . . . . . . . 122.11. Robot Atlas trabajando en ambientes reales. . . . . . . . . . . . . . . 132.12. Banco de pruebas moviles (robot Achires). . . . . . . . . . . . . . . . 132.13. Distintos modelos de robots hexapodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.14. Robot hexapodo (ROBCIB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.15. Esquema de desplazamiento de trıpode alterno. . . . . . . . . . . . . 152.16. Movimiento en Zigzag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.17. Robot jaguar (DR Robot R©). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.18. Robot movil Summit XL (Robotnik R©). . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.19. Robot arana creado por Erle-Spider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.20. Aspecto del procesamiento de movimiento del OptitrackTM . . . . . . 202.21. Aspecto del procesamiento de movimiento del ViconTM . . . . . . . . 21

3.1. Aspecto del banco de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2. Chasis del banco de pruebas, vallas y soporte motor. . . . . . . . . . 253.3. Patas roscadas para nivelacion de la cinta. . . . . . . . . . . . . . . . 263.4. Interseccion de las dos piezas que unen el larguero con la pata. . . . . 263.5. Union de la perfilerıa de aluminio en una interseccion mediante es-

cuadras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.6. Estructura sobre la que se apoya el soporte del motor. . . . . . . . . . 273.7. Estructura de anclaje del motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

XV

INDICE DE FIGURAS

3.8. Diagrama de momentos debido a las cargas sobre la estructura quese ve en la parte inferior de la imagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.9. Viga principal de la estructura, incluyendo sus medidas y sus cargas. 293.10. Caracterısticas segun el fabricante del perfil seleccionado. . . . . . . . 303.11. Mecanismo para tensar y alinear la banda de rodadura. . . . . . . . . 313.12. Mecanismo para sujetar el tambor al chasis mediante rodamientos. . . 313.13. Sistema de grabacion del banco de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . 323.14. Banda de rodadura de goma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.15. Escuadra para sujetar el tablero de la banda de rodadura. . . . . . . 333.16. Union de la banda mediante grapas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.17. Correa trapezoidal de trasmision Motor-Tambor. . . . . . . . . . . . . 343.18. Correa utilizada tapers y poleas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.19. Taper y polea unidas mediante prisioneros al tambor. . . . . . . . . . 363.20. Detalle constructivo de la terminacion roscada del eje del rodillo. . . . 373.21. Detalle constructivo de la terminacion del eje del tambor. . . . . . . . 383.22. Casquillo de bronce a modo de rodamiento. . . . . . . . . . . . . . . . 383.23. Rodamiento de apoyo del eje del tambor. . . . . . . . . . . . . . . . . 393.24. Sensores de barrera Sharp de infrarrojos. . . . . . . . . . . . . . . . . 403.25. Barreras de detencion mecanicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.26. Motor empleado para el movimiento de la cinta. . . . . . . . . . . . . 423.27. Curvas caracterısticas de motores de corriente continua con una ex-

citacion en serie [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.28. Curvas caracterısticas de motores de corriente continua con una ex-

citacion en paralelo [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.29. Tabla de soporte de toda la electronica del proyecto. . . . . . . . . . . 463.30. Sensor Sharp y su soporte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.31. Ciclos de trabajo de un PWM para distintos valores digitales entre 0

y 5 voltios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.32. Variador para el control del motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1. Marcador con forma de esfera para el seguimiento. . . . . . . . . . . . 494.2. Baston para el proceso de calibracion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.3. Nube de puntos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.4. Mejora de la precision cuantos mas puntos hay. . . . . . . . . . . . . 514.5. Calculo de la precision del sistema mediante interpolacion de los pun-

tos tomados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.6. Escuadra para la calibracion del suelo en nuestro sistema. . . . . . . . 524.7. Seleccion del trackable para calibrar el suelo. . . . . . . . . . . . . . . 534.8. Volumen donde el Optitrack es efectivo (esferico). . . . . . . . . . . . 534.9. Datos necesarios para que el Optitrack publique la informacion me-

diante vrpn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.10. Esquema de comunicacion entre camaras, router, switch y ordenado-

res junto a su velocidad de comunicacion. . . . . . . . . . . . . . . . . 554.11. Camara del sistema Optitrack para la captura del movimiento. . . . . 564.12. Herramientas para la edicion y la eliminacion de objetos no deseados

en la imagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

XVI Jose Angel Lopez Belloso

INDICE DE FIGURAS

4.13. Aspecto de un trackable dentro de Tracking Tools. . . . . . . . . . . . 59

5.1. Arquitectura del sistema de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.2. Open Source Robotics fundation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.3. Esquema VRPN client ROS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.4. Representacion esquematica de los sistemas de referencia y su pro-

yeccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.5. Esquema fundamental de ROS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.6. Esquema de funcionamiento de un control PID. . . . . . . . . . . . . 685.7. Arduino Uno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.8. Grafica que representa la velocidad del robot con respecto a la velo-

cidad de la cinta (naranja = velocidad del robot, azul = velocidad dela cinta). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.9. Pruebas del robot con patas de tipo C. . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.10. Pruebas realizadas con robots con orugas. . . . . . . . . . . . . . . . 745.11. Pruebas realizadas con robots con ruedas (Summit XL.) . . . . . . . 755.12. Pruebas realizadas con robot arana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.1. Nucleo y recubrimiento en electrodos de rutilo. . . . . . . . . . . . . . 786.2. Maquina de arco empleados en la soldadura. . . . . . . . . . . . . . . 786.3. Biseles necesarios para que penetre bien la soldadura en distintas

situaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.4. Conjunto de piezas antes de ser soldadas. . . . . . . . . . . . . . . . . 796.5. Escuadra para la sujecion del tablero de la banda de rodadura. . . . . 806.6. Tensor y soporte del rodillo, antes y despues de su union. . . . . . . . 816.7. Sistema de sujecion del tambor mediante rodamiento. . . . . . . . . . 816.8. Soporte para el posicionamiento de la camara de grabacion. . . . . . . 826.9. Pieza impresa 3D para la sujecion de las camaras al techo. . . . . . . 836.10. Anclaje de cada camara a las planchas del techo. . . . . . . . . . . . 836.11. Resultado del anclaje y conexion de cada camara. . . . . . . . . . . . 846.12. Tablero de MDF de la cinta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 856.13. Fabricacion a medida de la seta de seguridad. . . . . . . . . . . . . . 86

Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) XVII

INDICE DE FIGURAS

XVIII Jose Angel Lopez Belloso

Indice de cuadros

3.1. Tabla con las caracterısticas de la perfilerıa utilizada. . . . . . . . . . 25

6.1. Tabla con los distintos elementos de union con el perfil ranurado. . . 84

7.1. Recursos materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 937.2. Recursos humanos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947.3. Recursos informaticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 957.4. Coste total del proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

XIX

INDICE DE CUADROS

XX Jose Angel Lopez Belloso

Capıtulo 1

Introduccion

En este proyecto, se presenta un banco de pruebas para la experimentacion yvalidacion de los datos obtenidos en simulacion, ademas de para la extraccion dedatos durante el funcionamiento de un robot bio-inspirado hexapodo, para tareasde busqueda y rescate.

1.1. Motivacion.

Las tareas de busqueda y rescate urbano (USAR)1 es un campo de la roboticaque cada vez se ve con mayor frecuencia a causa de los atentados, las catastrofesnaturales o los accidentes debidos al ser humano.

En esta situacion es importante actuar con rapidez (utilizando equipos de busque-da y rescate) ya que, el mayor numero de muertes no sucede en el momento de lacatastrofe, sucede dentro de las primeras 72 horas, cuando la gente padece las heri-das producidas [9].

Por tanto, debido a sustancias en el ambiente que pueden haberse quedado ensuspension y a los derrumbes que vengan a consecuencia del dano de las estructuras,es importante trabajar con robots que sean capaces de proporcionar ayuda, ya biensea llevando medicamentos, kits de supervivencia o reconociendo el terreno para queposteriormente entren los equipos humanos.

El tipo de robot para estas tareas (USAR) imita en mayor o menor medidaa otros seres vivos, tambien llamado bio-inspirados [26], ya que es la evolucion delas especies en la naturaleza la que tiene mejores modelos para adaptarse al entorno.

Con todo esto y el desarrollo de nuevos robots bio-inspirados que se estan reali-zando dentro del grupo de investigacion, se tienen el robot hexapodo [27] [15] y elrobot arana [15].

1USAR: Urban Search and Rescue

1

CAPITULO 1. INTRODUCCION

Para poder validar todas las caracterısticas de estos robots es necesario disponerde bancos de pruebas que permitan recrear una situacion real de catastrofe, y podermediante este, extraer datos de funcionamiento y evaluar su forma.

1.2. Objetivos.

Los logros alcanzados durante este proyecto se pueden resumir en los siguientespuntos:

Estudio de la robotica destinada a la busqueda y el rescate.

Metodos de locomocion que caracterizan a algunos robots bio-inspirados.

Analisis geometrico y cinematico de los bancos de prueba del tipo banda decorrer.

Metodos de captacion de movimiento mediante camaras de alta velocidad, quepermitan en todo momento localizar objetos en el espacio.

Implementacion de un sistema de control (ROS2) para diferentes sistemas he-terogeneos para su monitorizacion y analisis.

Estudio de las teorıas de control que permitan fusionar control PID con controladaptativo.

Fabricacion de un modelo de banco de prueba para robots del tipo hexapodo.

Validacion de las caracterısticas mecanicas y cualidades de un robot hexapodo.

1.3. Aportaciones.

Fabricacion de un modelo de banco de prueba, ası como sus algoritmos de controlpara probar el movimiento de diferentes robots bio-inspirados, y validar su compor-tamiento mediante la extraccion de datos de prueba.

1.4. Estructura de la memoria.

Este trabajo esta dividido en 6 capıtulos, posterior a la introduccion, en el capıtu-lo 2 se inicia el trabajo con un estudio sobre los bancos de pruebas para robots quemas se utilizan, ası como los robots que los utilizan y las herramientas con las quedichos bancos trabajan. Se comienza hablando de los sistemas de locomocion quecaracteriza la robotica movil dependiendo del medio en el que trabajan ya sea agua,tierra o aire. A continuacion, se realiza un analisis de los principales bancos de prue-ba atendiendo a su forma, nivel de seguridad y extraccion de los datos. Por ultimo,

2ROS: Robot Operation System

2 Jose Angel Lopez Belloso

1.4. ESTRUCTURA DE LA MEMORIA.

se trata el tema de las herramientas de captacion de movimiento mas utilizadas enestos bancos.

Una vez se tenga un marco general donde ubicar este trabajo se pasa al capıtulo3, encargado de mostrar en detalle todas las etapas de diseno del banco de pruebas.Esta seccion detalla todos los componentes del banco y el estudio realizado para sueleccion. Este estudio se basa en multitud de modelos y estudios de resistencia quegaranticen que una vez fabricado todo, cumpla con su mision.

Conforme el proyecto va avanzando se pasa al capıtulo 4 donde se explica cuales el metodo empleado para la captacion de movimiento, herramienta indispensa-ble para la localizacion tanto de banco como del robot en todo instante. Entre lasposibilidades que se han explicado en el capıtulo 2 (Estado del arte) se explica elsistema OptitrackTM.

Conocido tanto la estructura y funcionamiento de la cinta, como las herramientasy tecnicas que el banco de pruebas va a utilizar, se pasa al capıtulo 5. Este capıtulomuestra como se comunican todos los sistemas que intervienen para poder integrartodo en un unico sistema centralizado desde el que se mandan todas las consignasque intervengan en el sistema. El sistema encargado de la integracion de todo estoes ROS.

Se continua con el capıtulo 6, en este capıtulo se muestra como ha sido el trabajode montaje y fabricacion del banco de pruebas. Aquı se hace especial hincapie en lasetapas necesarias para construirlo, ası como de las tecnicas necesarias para hacerlo,como son la soldadura entre otras.

Despues del capıtulo 6 se pasa al 7 donde se hablara de toda la planificacionen forma de diagrama de Gantt 3 y los presupuestos que se han manejado para eltrabajo de fabricacion.

Por ultimo, para finalizar el trabajo se presentan las conclusiones del mismo ylas lıneas futuras.

3 Gantt es una herramienta grafica cuyo objetivo es exponer el tiempo de dedicacion previstopara diferentes tareas o actividades a lo largo de un tiempo total determinado [18]

Escuela Tecnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 3

CAPITULO 1. INTRODUCCION


Capıtulo 2

Estado del arte

Actualmente entre el conjunto de robots que existe, se encuentra el grupo for-mado por robots moviles y el grupo formado por robots fijos. Los robots fijos, comopor ejemplo el de la figura 2.1, son aquellos robots que trabajan moviendose sobre sımismos pero no desplazandose en el espacio, por otro lado estan los robots moviles,que tienen la capacidad de moverse en su entorno, evitando ası mantenerse en unamisma ubicacion. Los tres medios por los que se pueden mover estos ultimos son:aire, tierra o agua. Dando como resultado robots de tipo aereos, terrestres o marinoscomo se puede observar en la figura 2.2.

Figura 2.1: Robot fijo, modelo IRB120 de ABB.

Figura 2.2: Clasificacion de los robots segun el medio de desplazamiento [27].

5

CAPITULO 2. ESTADO DEL ARTE

Dentro de la robotica, la robotica movil terrestre ha sido ampliamente estudiadahasta el momento [42] y se caracteriza por tener sistemas que les permiten locali-zarse en el entorno empleando diferentes metodos como pueden ser: SLAM 1, GPS2, odometrıa, balizas o fusionando varios de estos (filtro kalman o EKF [1]).

Por tanto, estos robots tienen una importante lınea de investigacion en la actuali-dad. Por esta razon, una amplia mayorıa de las universidades que poseen laboratoriosde investigacion en robotica tienen algun proyecto destinado a la robotica movil, co-mo es el caso de la universidad donde se desarrolla esta investigacion.

Este trabajo se enfoca en la lınea de investigacion del grupo de Robotica yCibernetica (ROBCIB 3), perteneciente al centro de Automatica y Robotica UPM-CSIC 4 de la Escuela Politecnica de Madrid que lleva trabajando con este tipo derobots durante mas de 25 anos.

De entre los sistemas de locomocion de estos robots moviles terrestres se consi-deran como convencionales las orugas y ruedas, figura 2.3. Sin embargo, es logicopensar que los robots que estan basados en la naturaleza tienen mejores capacida-des adaptativas en entornos poco estructurados ya que su forma y movimiento estanrespaldados por muchos anos de evolucion.

(a) Dr robot Jaguar v4 (orugas). (b) Robotnik summit XL (ruedas).

Figura 2.3: Sistemas convencionales de locomocion.

A traves de los estudios de Garzon et al. [31], Forero et al. [16] y otros basadosen la biologıa como el de Garzon et al. [31] se ha llegado a la conclusion de que losrobots con mayores capacidades moviles para un entorno poco estructurado son loszoomorfos 5 que imitan el comportamiento de ciertos animales tanto invertebrados

1SLAM: Es una tecnica basada en el mapeo y la localizacion de los alrededores de un robotmovil de forma simultanea

2GPS: Sistema de posicionamiento global3Robotica y Cibernetica UPM:[http://www.upm.es/observatorio/vi/index.jsp?pageac=grupo.jsp&idGrupo=205]4UPM-CSIC: [https://www.car.upm-csic.es/]5Robot Zoomorfos: son aquellos cuyo sistema de locomocion imita a los diversos seres vivos.


como vertebrados. Un posible ejemplo es el robot con patas en forma de “C” de lafigura a) 2.4 o el basado en el movimiento de un gusano de la figura f) 2.4, entremuchos otros que se puede observar en el grupo de figuras 2.4.

(a) Robot escarabajo [2]. (b) Robot pez [39]. (c) Robot pajaro [43].

(d) Robot cheetah [40]. (e) Robot insecto palo [38]. (f) Robot gusano [41].

Figura 2.4: Robots zoomorfos inspirados en animales.

Una de las etapas mas importantes en la creacion de un robot movil es comparar,ası como validar las tecnicas y algoritmos que se han empleado en dicho robot, paraconseguir esto, lo mas habitual es utilizar bancos de pruebas que evaluan siempreen el mismo entorno [23].

Los bancos de pruebas son herramientas que simulan fielmente las condicionesreales de funcionamiento a las que estara sometido el robot, esto permite la extrac-cion de datos para ir obteniendo conclusiones que posteriormente se convertiran enmodificaciones y ajustes antes de que el robot sea probado en el entorno para el queha sido fabricado.

Para lograr esto, un robot debe pasar por un conjunto de fases que le preparanpara las pruebas reales, este esquema se puede observar en la figura 2.5.



Figura 2.5: Esquema de las fases de validacion de un robot.

Otra de las ventajas que tienen los bancos de pruebas es que pueden probar elfuncionamiento real del robot evitando usar sistemas de simulacion que pueden noser muy fieles a la realidad o muy complejos, y ası poder realizar ciclos de pruebas,manteniendo siempre las mismas condiciones.

Dentro de los bancos de pruebas para robotica movil se pueden encontrar dostipos: los bancos de pruebas moviles y los entornos controlados.

2.1. Banco de pruebas moviles

Estos bancos de prueba, como se puede observar en la figura 2.6, estan forma-dos por una banda de goma, que va rodeando dos o mas rodillos que trasmiten elmovimiento, en el caso de la ilustracion se trata del robot-cheetah 6.

El movimiento de esta cinta proviene de un motor electrico de corriente alternao continua (segun las necesidades que reflejen los requisitos del sistema), unido alrodillo principal llamado tambor y mediante un sistema de trasmision.

Bajo la banda de goma se tiene un tablero sobre el que se desliza a medida queva desplazandose. Consiguiendo de esta manera una superficie rıgida para el apoyodel robot.

Con frecuencia estas cintas estan controladas por un ordenador que se encargade dar las ordenes de movimiento, este suele estar provisto de una serie de elementosde seguridad que detienen todo el movimiento en caso de emergencia.

Ademas de todo lo anterior, estos bancos son utilizados en las primeras pruebasdurante las fases preliminares de validacion, ya que, se puede tener multiples siste-mas de seguridad para mantener la integridad del entorno y del robot en sı mediantelos cordones umbilicales y cables de acero de seguridad anti-caıdas.

6Robot Cheetah MIT: http://web.mit.edu/


2.2. ENTORNOS CONTROLADOS

Figura 2.6: Bancos de pruebas moviles (cinta de correr) robot Cheetah.

2.2. Entornos controlados

Este tipo de entorno busca recrear posibles situaciones a las que el robot se de-bera enfrentar cuando desempene la funcion para la que ha sido disenado, como sepuede observar en la figura 2.7, estos entornos se emplean en fases finales de valida-cion; ya que los sistemas de seguridad son mas escasos que en los bancos de pruebasmediante cintas.

Estos entornos, al igual que los bancos de pruebas mediante cintas, tienen ungran control de datos mediante camaras y otros sensores durante el funcionamientopara poder realizar ajustes si fuera necesario.

Figura 2.7: Entorno de pruebas controlado para robots moviles (superficie irregular)[14].

Todos los bancos de pruebas se disenan y fabrican para las especificaciones quetenga cada robot. Por esta razon no se pueden encontrar comercialmente modelosque se adapten fielmente a las necesidades de cada proyecto. Esto obliga en la ma-yorıa de los casos a fabricarlos desde cero o a usar cintas genericas que se adaptan



a las necesidades particulares de cada proyecto.

En este caso, se ha necesitado disenar y construir un banco de pruebas desdecero para los distintos robots bio-inspirados del grupo de Robotica y Cibernetica.

2.3. Bancos de pruebas desarrollados para otros

robots

Debido a que cada robot tiene unas caracterısticas que lo definen y no es frecuen-te que estas se compartan con otros robots, es necesario realizar bancos de pruebaa medida para cada uno de ellos.

A continuacion, se describen algunos bancos de pruebas que se pueden encontraren la literatura.

2.3.1. The Cheetah

Este robot disenado y fabricado por el MIT 7, es un sistema bio-inspirado queimita los movimientos que tiene un guepardo. Estos movimientos le permiten alcan-zar velocidad de hasta 22 Kilometros por hora y sortear obstaculos mediante unossensores que reconocen el terreno, como es el sensor Lidar [40].

En las fases de validacion del robot han sido necesarios los dos tipos de bancosde pruebas que se ha explicado en los apartados 2.1 y 2.2.

Un primer banco formado por una cinta donde el robot corre y eventualmenteesquiva o salta algun obstaculo que los operarios ponen en su trayectoria como sepuede observar en la figura 2.8.

7MIT: Instituto Tecnologico de Massachusetts [http://web.mit.edu/]


2.3. BANCOS DE PRUEBAS DESARROLLADOS PARA OTROS ROBOTS

Figura 2.8: Banco de pruebas moviles del robot Cheetah [32].

Pasada la fase preliminar en la cinta, se pasa a una fase donde se hicieron prue-bas sin que el robot quedase estatico [32] en el sitio dentro de un entorno controladodonde extraer informacion de funcionamiento (figura 2.9).

Figura 2.9: Entorno controlado del robot Cheetah [32].

2.3.2. Petman

Este robot disenado y construido por Boston Dynamics 8 ha sido fabricado paraprobar la resistencia y durabilidad de la ropa destinada a la proteccion de personasen ambientes peligrosos [30].

Este robot es de tipo antropomorfico, y atendiendo a la funcion para la que hasido creado, no es necesario que desarrolle movimientos autonomos en escenariosreales, basta con usar un banco de pruebas movil basado en una cinta, donde seacapaz de desempenar su cometido.

El banco de pruebas que se ha utilizado para esta prueba es el que se puede ob-servar en la figura 2.10, donde se puede apreciar tanto el cordon umbilical entrandopor su pierna izquierda, como cuatro lıneas de vida formadas por cables de acero que

8Boston Dynamics: [https://www.bostondynamics.com/]



evitan que se desplome, de no tener estos cables en caso de desconexion o accidentecaerıa al suelo destrozandose.

Figura 2.10: Banco de pruebas moviles (robot Petman) [30].

2.3.3. Atlas

Disenado por Boston Dynamics al igual que el robot Petman (seccion 2.3.2), sudiseno y construccion ha sido controlado por el departamento de defensa de estadosunidos (DARPA9), y su funcion es de busqueda y rescate en entornos principalmentemilitares [10].

Este tipo de robot humanoide, es un robot con gran agilidad y probablemen-te uno de los pocos capaz de realizar saltos mortales ademas de saltar obstaculos(Prueba de agilidad).

Este robot ha tenido las dos fases de validacion descrita anteriormente, inicial-mente mediante un banco de pruebas movil y posteriormente mediante un escenariode pruebas reales. A traves de estas dos pruebas, el robot ya es capaz de desenvol-verse en ambientes reales, como se puede observar en la figura 2.11 y en el artıculopublicado por Siyuan Feng [14].

9DARPA: Defense Advanced Research Projects Agency [https://www.darpa.mil/]


https://www.youtube.com/watch?v=lUbhJmTa1tM/

2.4. ROBOTS DE BUSQUEDA Y RESCATE

Figura 2.11: Robot Atlas trabajando en ambientes reales.

2.3.4. Achires

Achires es un robot bıpedo que persigue los lımites de la maquina, mas alla delo que es capaz el ser humano, mejorando su comportamiento mediante su controlante desequilibrios, caıdas, etc [5].

El banco de pruebas es de tipo cinta 2.1 y esta compuesto de en un sistema decamaras de alta velocidad coordinado de manera activa con el robot, para conseguirque se mueva manteniendo el equilibro ante cambios bruscos de velocidad y acele-racion [5].

Figura 2.12: Banco de pruebas moviles (robot Achires).

2.4. Robots de busqueda y rescate

Los robots que estan destinados a la busqueda y rescate suelen estar especiali-zados en la intervencion en grandes catastrofes. Estos ambientes son desconocidos ypoco estructurados, por esta razon es necesario el empleo de robots muy versatilesy robots capaces de adaptarse al terreno de la mejor manera posible.

Los robots de rescate trabajando siempre bajo la supervision de un operario, sonherramientas que bien aprovechadas por los equipos de rescate facilitan sus labores



en caso de emergencia. Algunos de los paıses que mas emplean este tipo de robotsson: Japon, Italia, Alemania [21].

Por estas razones la robotica movil para la busqueda y rescates cada vez es masutilizada tanto por equipos de bomberos como por equipos de emergencia.

Algunas de las actividades que desempenan estos robots son: de colaboracion ycomprobacion que las estructuras siguen siendo lo suficientemente resistentes comopara que el equipo de rescate pueda entrar y dar apoyo y en determinadas circuns-tancias proporcionar alimento o kits de primeros auxilios a vıctimas de la catastrofeproporcionando cobertura como repetidor (Disaster robotics RR Murphy [9]).

Ademas de todo esto, los robots deben ser cautos por un lado para evitar em-peorar la situacion, pero a la vez rapidos para que sean realmente utiles.

2.4.1. Robot Hexapodo

Este robot ha sido disenado por el grupo ROBCIB, basados en otros previoscomo son: RHEX [2], X-Rhex [17], Zebro [7] entre otros, estos se pueden observaren la figura 2.13.

La conjuncion de estas patas con la bio-inspiracion de los modos de locomocionen algunas especies de cucarachas [6] y de escarabajos [11].

(a) RHEX. (b) X-HEX. (c) Zebro.

Figura 2.13: Distintos modelos de robots hexapodos.

Estos robots proporcionan un nuevo enfoque en el diseno de sus sistemas de lo-comocion con patas, aumentando la eficiencia en la realizacion de su marcha graciasademas, al diseno de los algoritmos de desplazamiento presentes que proporcionasiempre estabilidad tanto estatica como dinamica [37] y multiples modos de marchapara superar los obstaculos a los que se enfrente.

Es por tanto, un robot bio-inspirado que gracias a su singular sistema de loco-mocion puede desplazarse por zonas abruptas y superar obstaculos elevados, querobots con sistemas de locomocion convencionales no pueden superar [27].



El ya mencionado sistema de locomocion esta basado en seis patas con forma de“C”que poseen cierta flexibilidad como, se puede observar en la figura 2.14, y quees una caracterıstica comun de todos los robots hexapodos inspirados en escarabajos.

Figura 2.14: Robot hexapodo (ROBCIB).

Estos robots son sobre los que se va ha realizar el estudio de movilidad en es-te trabajo, se pretenden validar sus caracterısticas haciendo especial hincapie en elmovimiento de trıpode alterno.

El robot hexapodo se desplaza utilizando sus seis patas, manteniendo en el sueloal menos tres de ellas, a pesar de que puede moverse manteniendo en todo momentohasta 5 patas al mismo tiempo en el suelo.

Cuando se realiza un movimiento manteniendo tres patas en el suelo, el robotno es capaz de moverse en una perfecta lınea recta, y es por tanto que el banco depruebas necesario para este robot se ha considerado de una anchura 1,5 veces mayorque el ancho del robot, ya que de lo contrario este se saldrıa de la banda de rodadura.

El movimiento mediante tres patas es el que se puede observar en la figura 2.15,donde en todo momento se tienen en el suelo dos patas de uno de los lados y unapata del otro, creandose ası lo que se llama desplazamiento de trıpode alterno [27].

Figura 2.15: Esquema de desplazamiento de trıpode alterno.



Este tipo de movimiento viene caracterizado por describir una trayectoria enzigzag como se muestra en la figura 2.16, y es por esto que se hace indispensabletener un banco de pruebas que proporcione esta informacion para poderla corregirtanto como sea posible.

Figura 2.16: Movimiento en Zigzag.

Debido al sistema de locomocion de este robot, sera necesario tambien un bancode pruebas a la medida de sus necesidades, este sera una cinta movil como la expli-cada en el apartado de bancos de pruebas moviles (2.1).

Esta cinta debera estar controlada en velocidad y aceleracion mediante unoslazos de control que se explicaran posteriormente. Ademas de esto, se debe conoceren todo momento la posicion relativa que tendra el robot respecto de la cinta parahacer las diferentes pruebas de funcionamiento.

2.4.2. Robot Jaguar

La plataforma robotica movil Jaguar V4 esta disenada para aplicaciones en in-teriores y exteriores que requieren una robusta capacidad de neutralizacion y ma-niobrabilidad del terreno [12].

Es completamente inalambrico. Cuenta con un sistema GPS al aire libre y nueveIMU (Gyro / Acelerometro / Brujula) para la navegacion autonoma.

La plataforma Jaguar V4 de la figura 2.17 es resistente, liviana (menos de 30Kg), compacta, impermeable y resistente al agua.



Figura 2.17: Robot jaguar (DR Robot R©).

Esta disenado para topografıa aproximada y es capaz de escalar o subir vertical-mente hasta 300 mm. con facilidad. Puede equipar 4 brazos articulados que podrıanconvertir el robot en varias configuraciones de navegacion optimas para superar losdiferentes desafıos del terreno.

El video / audio integrado de alta resolucion y el escaner laser opcional brin-dan al operador informacion detallada de los alrededores. Ademas del software denavegacion y control listo para usar, tambien esta disponible un kit de desarrollocompleto que incluye SDK, protocolo de datos y codigos de muestra.

2.4.3. Robot Summit XL de Robotnik R©Robotnik es una empresa especializada en el desarrollo de diferentes tipos de ro-

bots de servicio, como robots moviles, manipuladores moviles y torsos roboticos [36].

Dentro del apartado de robots moviles, Robotnik R© ofrece una amplia gama deproductos de caracterısticas muy diversas, como tamano, peso, etc. Sin embargo,todos presentan una caracterıstica comun: son terrestres.

Todos los modelos de robots moviles desarrollados por Robotnik R© estan imple-mentados en ROS, facilitando el proceso de simulacion.

El modelo Summit Xl de la figura 2.18 ha sido desarrollado para ser utilizadoen entornos adversos de forma autonoma, esta caracterizado por su versatilidad yresistencia. Cuenta con unos codificadores incrementales situados en las ruedas y unsensor angular en el interior del chasis que permiten realizar el calculo de la odo-metrıa.



Figura 2.18: Robot movil Summit XL (Robotnik R©).

En la parte superior del robot movil existe una plataforma para el posiciona-miento de cargas de hasta 65 kg. Tambien presenta varias configuraciones para elposicionamiento de los amortiguadores, permitiendo modificar la distancia entre elsuelo y el chasis del robot.

El SUMMIT XL HL incorpora los siguientes accesorios:

Escaner laser HOKUYO, disponible en varias versiones.

Sistemas de medida inercial: Aceleracion 3D, Giro 3D, Campo magnetico 3D.

Camara PTZ, permitiendo la retransmision de imagenes en vivo.

GPS.

Emisora de radiocontrol FASST.

Camara de rango 3D ORBBEC.

Las especificaciones tecnicas dadas por Robotnik R© respecto a este modelo son:

Dimensiones: 731x578x440 mm.

Peso: 65kg.

Capacidad de carga: 65kg.

Velocidad: 3m/s.

Autonomıa: 10h en continuo movimiento.

2.4.4. Robot Arana

Este robot hexapodo esta bio-inspirado en el sistema de locomocion propio delas aranas, ha sido desarrollado por la empresa espanola Erle-Robotics, presenta seispatas con tres grados de libertad cada una, actuadas mediante servos, lo que hace


2.5. METODOS PARA MONITORIZACION DE POSICIONTRIDIMENSIONAL

un total, de dieciocho actuadores.

Practicamente todo el conjunto esta fabricado en aluminio, presentando una ma-sa total de 2 kg, aproximadamente. La carga maxima estimada que puede soportarcada pata es de 500 gramos [13] lo que la hace ideal para tareas de busqueda y rescate.

Figura 2.19: Robot arana creado por Erle-Spider.

El modo de movimiento mas estable que tiene este robot es manteniendo 5 patasapoyadas en el suelo. Esto permite poder controlar el avance del robot de maneramas exacta, pues es menos probable que el robot deslice o caiga de algun desnivela causa de un impacto de la pata. Sin embargo, por este mismo motivo, este mo-do de marcha es el mas lento, pues la friccion de las patas con el suelo limita eldesplazamiento que realiza el robot con cada movimiento. Por tanto, este modo demarcha sera utilizado, bien cuando se quiera controlar de manera precisa al robot,o bien cuando se desee avanzar de forma segura por algun terreno desestructuradoo desconocido [8].

2.5. Metodos para monitorizacion de posicion tri-

dimensional

Entre las multiples opciones para la captura de movimiento, haciendo uso decamaras de alta velocidad, se tienen dos que destacan sobre el resto: OptitrackTM

y ViconTM .

2.5.1. OptitrackTM

El OptitrackTM es un sistema que permite la captura de movimiento con pre-cision de decimas de milımetro. Este sistema se compone de una parte hardware,camaras, y un sistema de recopilacion de los datos, software.



El sistema esta formado por un conjunto de camaras de alta velocidad calibradaspara un espacio y una posicion concreta. Todas estas camaras estan comunicadasentre sı creando en su conjunto un espacio de trabajo con la forma aproximada deuna esfera.

La forma de registrar todos estos datos es mediante el uso de un software aso-ciado a esta herramienta llamada Tracking Tools que envıa la posicion y orientacional entorno de trabajo.

Esta combinacion es con la que se va a trabajar para el desarrollo del proyecto,ya que es un metodo de captacion de movimiento robusto que posee el ROBCIB.

Optitrack-motive es otra herramienta ampliamente utilizada en multitud de uni-versidades debido a su potencial, y esta presente en grandes estudios de investigaciony publicaciones en revistas, como por ejemplo el artıculo en la revista Bistua sobre elremallado isotropico adaptado por curvatura local en reconstrucciones tridimensio-nales de estructuras oseas para las aplicaciones en Ciencias Forenses de la Facultadde Ciencias Basicas de Pamplona-Colombia [25].

Figura 2.20: Aspecto del procesamiento de movimiento del OptitrackTM .

2.5.2. ViconTM

ViconTM se especializa en el desarrollo de captura de movimiento accesible, quebrinda informacion precisa en cualquier aplicacion de analisis de movimiento.

El software Tracker de ViconTM 10 [44] utiliza el sistema MO-CAP (motion Cap-ture System) para el tratamiento de las imagenes que proporcionan las camaras.

Este sistema realiza la captura de movimiento mediante MOCAP 11, que es elproceso de registrar el movimiento de objetos o personas. La tecnologıa se originoen el mercado de las ciencias de la vida para el analisis del movimiento, pero ahora

10Vicon es el desarrollador de captura de movimiento para las industrias y organismos destinadosa ciencias biologicas

11MOCAP: Este paquete contiene un nodo que traduce los datos de captura de movimiento deuna plataforma OptiTrack


2.5. METODOS PARA MONITORIZACION DE POSICIONTRIDIMENSIONAL

se usa ampliamente en los estudios VFX , terapeutas deportivos , neurocientıficos ypara la validacion y el control de la vision artificial y la robotica .

Figura 2.21: Aspecto del procesamiento de movimiento del ViconTM .

ViconTM es una herramienta ampliamente utilizada en multitud de universida-des debido a su potencial, y esta presente al igual que la herramienta OptitrackTM

en grandes estudios de investigacion como por ejemplo Influencias del entrenamientomotor no visual en la percepcion del movimiento biologico realizado en el InstitutoHertie para la Investigacion Clınica del Cerebro en Alemania [29].


Capıtulo 3

Diseno y analisis del banco depruebas

En este capıtulo se va a tratar como se ha disenado cada una de las partes quecompone el banco de pruebas, ası como de las caracterısticas que los definen.

3.1. Analisis geometrico

El banco de pruebas que se ha realizado desde el Centro de Automatica y Roboti-ca de la Universidad Politecnica de Madrid, va a permitir comprobar y validar todaslas caracterısticas que tiene, no solo el robot hexapodo para tareas de busqueda yrescate, sino otros tipos de robots como los robots arana (capıtulo 2.4.4) con modosde locomocion no basados en sistemas de traccion comerciales.

El banco de pruebas de este proyecto se compone de una serie de partes, las cua-les permiten que una banda se mueva de manera cıclica alrededor de unos cilindros.Colocando el robot sobre dicha banda, este podra moverse libremente atendiendoa las caracterısticas de diseno, sin que se desplace del lugar. Esto permite extraerdatos de manera comoda y fiable dentro de un entorno controlado.

Uno podrıa pensar que este banco de pruebas se puede parecer en mayor o menormedida a una cinta de correr tradicional, no obstante, no es ası, ya que el bancode pruebas que se necesita excede en mucho la complejidad de las cintas de corrergenericas, es por esto que se ha realizado un banco de pruebas desde cero, pasandopor todas las etapas de diseno, fabricacion y validacion.

A continuacion, se va a explicar cada una de las partes de las que se compone elbanco de pruebas y la funcion que ocupan dentro de su conjunto. En la figura 3.1se muestra un render del modelo 3D, hecho en Autodesk Inventor R© 1 del banco de

1Autodesk Inventor: El software de CAD 3D Inventor R© ofrece herramientas profesionales parael diseno mecanico, la documentacion y la simulacion de productos en 3D. La licencia a sidoproporcionada por la UPM.

23

CAPITULO 3. DISENO Y ANALISIS DEL BANCO DE PRUEBAS

pruebas ası como del robot para que sea mas facil hacerse a la idea de las dimensio-nes y de la escala que tiene el banco en su conjunto (figura 3.1).

(a) Modelo 3D hecho en Autodesk Inventor R© delbanco de pruebas.

(b) Banco de pruebas real.

Figura 3.1: Aspecto del banco de pruebas.

3.2. Estructura principal (chasis)

El banco de pruebas tiene como elemento principal de sujecion, un armazon quehace de soporte para el resto de piezas que componen dicho banco.

Esta estructura no solo debera sujetar cada uno de los elementos de los que secompone, tambien debera aguantar los esfuerzos y momentos de inercia 2 que seproducen al poner el sistema en funcionamiento.

Por esta razon, el chasis debera estar fabricado con materiales adecuadamenteseleccionados, en este caso, se utilizara una perfilarıa en aluminio de 45 mm. x 45mm. ranurada, garantizando con esto que todo se mantenga dentro de los valoresestables, evitando pandeos y deformaciones indeseadas.

Estos perfiles poseen una serie de ranuras que van a permitir unirlas entre sı y asu vez unirse al resto de piezas que componen el banco de pruebas.

2El momento de inercia refleja la distribucion de masa de un cuerpo o de un sistema de partıculasen rotacion, respecto a un eje de giro [28]


3.2. ESTRUCTURA PRINCIPAL (CHASIS)

Perfil Caracterısticas Imagen

30 x30

Formado por 4 ranurasde ancho 8 mm.,profundidad 10mm.Agujero central 7mm para rosca M8.

45 x 45

Formado por 4 ranurasde ancho 10mm,profundidad 14mm.Nucleo de 10mm para rosca M12.

Cuadro 3.1: Tabla con las caracterısticas de la perfilerıa utilizada.

Como se puede ver en la figura 3.2, dicha estructura esta formada por unrectangulo en su parte superior, y un conjunto de ocho patas que separan dichaestructura del suelo. Como medida de seguridad, se han anadido unos perfiles de 30mm. x 30 mm. que sirven de vallas para evitar que el robot caiga en caso de malfuncionamiento.

Figura 3.2: Chasis del banco de pruebas, vallas y soporte motor.

A este armazon se le han anadido en los extremos de cada pata una serie deelementos roscados que se pueden observar en la figura 3.3, esto va a permitir ni-velar el banco en las distintas superficies donde se tenga que instalar, teniendo en



cuenta que el angulo maximo de desnivel que puede tener la superficie es de 2 gradosdebido a la longitud de dichas patas. Si se diera el caso de excederse esos 2 grados,bastarıa con anadir unos suplementos en la zona de las patas que mantuvieran lacinta horizontal y nivelada.

(a) Modelo 3D he-cho en AutodeskInventor R© de la patade nivelacion.

(b) Aspecto real de lapata de nivelacion.

Figura 3.3: Patas roscadas para nivelacion de la cinta.

Dado que el maximo largo de los perfiles que se pueden suministrar es inferiora la longitud total de la cinta, ha sido necesario formar dichos largueros con dospiezas, aumentandose ası la resistencia del chasis al incluir dos patas mas. Para ga-rantizar que la union fuera lo suficientemente robusta se han colocado ademas dedos escuadras, y tres piezas rectangulares perforadas que haran de sujecion por tresde los lados donde no estan dichas escuadras, como se puede observar en la figuraesquematica 3.4.

(a) Modelo 3D. (b) Aspecto real.

Figura 3.4: Interseccion de las dos piezas que unen el larguero con la pata.


3.2. ESTRUCTURA PRINCIPAL (CHASIS)

El metodo de union empleado con esta perfilerıa de aluminio ha sido medianteescuadras tambien de aluminio, que han sido colocadas en cada una de las intersec-ciones y uniones del chasis. Estas escuadras que se pueden observar en la figura 3.5han sido unidas a los perfiles mediante tornillerıa especıfica para el tipo de ranuradel perfil utilizado.

Figura 3.5: Union de la perfilerıa de aluminio en una interseccion mediante escuadras.

En la figura 3.5, se puede observar un tablero de madera sobre el que ira apoyadoel soporte del motor, el ordenador, el variador y todos los elementos necesarios parael movimiento del mismo. El motor, por tanto, va ubicado en la parte inferior de lacinta casi pegado al suelo, mejorando ası la estabilidad de la cinta y ahorrando elespacio de haber ubicado el motor en el mismo eje que el tambor.

Figura 3.6: Estructura sobre la que se apoya el soporte del motor.

Ademas de la estructura que va a soportar el motor (figura 3.6), se tiene otrapieza anclada ha dicho motor mediante cuatro tornillos M6, que lo hacen solidarioeste como se puede observar en la figura 3.7. Esta ultima pieza esta formada por unaescuadra donde se tiene el anclaje del motor en uno de sus lados, y en el otro, doscorrederas de 50 mm., que permitiran orientar a la perfeccion las dos poleas tanto



del motor como del tambor. La estructura que soporta esta pieza tambien disponede unas pequenas correderas de 10 mm. que permitiran que esta se ajuste al chasisdel banco de pruebas.

(a) Vista frontal 3.6. (b) Taladros realizados para el anclaje.

Figura 3.7: Estructura de anclaje del motor.

3.3. Calculo de estructuras

A continuacion, se muestran los calculos que se han realizado para verificar quetodos los esfuerzos que se van a producir en el banco de pruebas, lo resista el chasis.

(a) Diagrama. (b) Diagrama de momentos.

Figura 3.8: Diagrama de momentos debido a las cargas sobre la estructura que seve en la parte inferior de la imagen.


3.3. CALCULO DE ESTRUCTURAS

Figura 3.9: Viga principal de la estructura, incluyendo sus medidas y sus cargas.

A partir del analisis de momentos (figura 3.8) de la estructura se desprende que laseccion mas peligrosa se situa a 1.9 m, con un momento maximo de 1,43·10−2 N ·m.Las ecuaciones que definen el perfil mas adecuado que se debe utilizar haciendo usode los datos como la σ (ecuacion 3.1)3 del aluminio y la inercia del perfil detalladamas adelante escogido segun el fabricante (Motedis).

σAl = 1,1 · 108 N

m2(3.1)

Como factor de seguridad se ha empleado un coeficiente de seguridad de 2 sobrela masa del robot mas pesado que se va a emplear.

Ademas, se mayora la σ del aluminio para garantizar que debido a cualquierdefecto en el aluminio (como la pureza de la composicion de la aleacion) no afectea la conclusion obtenida.

Coeficiente de seguridad µ = 0,8 (3.2)

σLimite = µ · σAl = 1,1 · 108 · 0,8 = 8,8 · 107 N

m2(3.3)

σLimite =M

Wx

→ Wx =1,43 · 102

8,8 · 107= 1,62 · 10−6 cm3 (3.4)

Tambien se mayora el tamano de la perfilerıa como medida de seguridad ante laspropiedades de inercia y resistencia del perfil en cuestion:

Coeficiente de seguridad µ = 2,8 (3.5)

ωLimite = 2,8 · 1,62 · 10−6 = 4,536 · 10−6 m3 → ωx = 4,80 cm3 (3.6)

3σ: tension normal al plano de la seccion



Por ultimo debido a que el perfil de 45 mm. x 45 mm. tiene una ωx(4)con unvalor de 4.8 cm3 como se ve en la figura 3.10, se debe considerar este perfil como elinmediatamente superior valido para este proyecto.

Figura 3.10: Caracterısticas segun el fabricante del perfil seleccionado.

3.4. Metodos de sujecion del: rodillo, tambor, sis-

tema tensor y tablero de apoyo de la banda

Una vez que se ha comentado en el apartado 3.2 todo acerca del chasis, se esta endisposicion de explicar cuales son los metodos de sujecion empleados para el rodilloy el tambor. El rodillo y el tambor se explicaran en detalle en el apartado 3.7.

El banco de pruebas que se ha disenado posee un sistema de tension y equilibra-do para la cinta, este esta ubicado en el soporte del rodillo de tal forma que cuandoel sistema de tension actua, es el rodillo el que se desplaza para conseguir estirar oequilibrar la banda.

Este sistema de tension y equilibrado tiene tres partes fundamentales a comentar:

Una primera parte que se encarga de hacer un movimiento de corredera sobreel perfil que compone el chasis, formado por tres taladros donde iran alojadostornillos que haran la fijacion con el perfil.

Una segunda parte formada por un tornillo apoyado en una sufridera en ellateral del chasis, como se puede observar en la figura 3.11. Este se encarga dedotar de movimiento a la pieza en su conjunto y por tanto al rodillo. Una vezque este tornillo es apretado y colocado en su posicion se deben apretar lostres tornillos que forman la corredera para evitar deslizamientos indeseados.

Por ultimo se tendra el taladro sobre el que se instalara el eje del rodillo, estese mueve de forma independiente a la superficie de rodadura del rodillo y portanto quedara fijo a la pieza de sujecion del chasis.

4ωx: momento de inercia de la seccion respecto del eje x


3.5. SISTEMA DE GRABACION

(a) Tensor imagen 3D. (b) Tensor imagen real.

Figura 3.11: Mecanismo para tensar y alinear la banda de rodadura.

En cuanto al sistema de sujecion del tambor tendra dos partes fundamentalesque son: un sistema de sujecion del tambor a la pieza en cuestion y otra que suje-tara dicha pieza al chasis como se puede observar en la figura 3.12 . Debido a que eltambor no tiene un eje libre como le pasa al rodillo, seran necesarios rodamientosque permitan un giro suave y sin holguras, estudiados en el apartado 3.7.3.

(a) Soporte tambor imagen3D.

(b) Soporte tambor ima-gen real.

Figura 3.12: Mecanismo para sujetar el tambor al chasis mediante rodamientos.

3.5. Sistema de grabacion

Para poder garantizar que el banco de pruebas recopila tanta informacion comosea necesaria a la hora de probar distintos modos de marcha de un robot, se debetener una camara de alta velocidad sujeta al chasis del banco, para conseguir de estamanera que el plano de grabacion tenga como eje de referencia el de la propia cinta



evitandose ası oscilaciones y ruidos externos al sistema.

Para poder sujetar la camara se ha creado un soporte detallado en el apartado6.2, ubicado en la parte posterior de la cinta (figura 3.13) que permite que la camaragrabe en distintos planos segun en la posicion en la que se coloque.

(a) Soporte sujecion. (b) Camara.

Figura 3.13: Sistema de grabacion del banco de pruebas.

3.6. Sistema de transmision de movimiento

Los sistemas de traccion y transmision de movimiento del banco de pruebas sonla banda de rodadura y la correa de transmision que une el motor y tambor.

3.6.1. Banda de rodadura

La banda esta compuesta de una goma resistente pero ademas flexible, de 4,15m de largo y 1 m de ancho unida por sus extremos mediante soldadura por altafrecuencia, para lograr una banda continua de aspecto al de la figura 3.14.


3.6. SISTEMA DE TRANSMISION DE MOVIMIENTO

Figura 3.14: Banda de rodadura de goma.

Debido a que la distancia entre el tambor y el rodillo es de 2 metros, y que labanda es elastica, es necesario colocar un tablero de madera bajo esta para que to-dos los esfuerzos que realice el robot con su sistema de locomocion sean absorbidos,evitandose ası la perdida de forma y de posicion de dicha banda.

Este tablero esta sujeto mediante cuatro escuadras fabricadas en acero mediantecorte por laser, y unidas mediante soldadura por nosotros. Se puede observar la for-ma de esta escuadra en el modelo 3D de la figura 3.15 a), junto a una imagen real3.15 b) que se tiene a continuacion.

(a) Escuadra imagen 3D. (b) Escuadra imagen real.

Figura 3.15: Escuadra para sujetar el tablero de la banda de rodadura.

La escuadra tiene cuatro agujeros todos ellos pasantes, 2 de ellos avellanados quevan al tablero y otros dos que permiten la union con el perfil de aluminio, todo estose puede apreciar en la figura 3.1.



De entre las opciones que se han planteado para hacer la union de la banda,se ha escogido la union mediante soldadura por alta frecuencia ya que este metododeja un acabado absolutamente liso, ideal para evitar que el robot tropiece. Entrelas alternativas a este metodo se pueden encontrar: sujecion mediante remaches ysujecion mediante grapas, estos metodos de union son mas irregulares como se puedeobservar en la figura 3.16 pudiendo llegar a provocar que el robot tropezara.

Figura 3.16: Union de la banda mediante grapas.

3.6.2. Correa de trasmision

La correa que une el motor con el tambor es de tipo trapezoidal en una subcate-gorıa llamada tipo A que posee una medida estandarizada como se puede observaren la figura 3.17.

Figura 3.17: Correa trapezoidal de trasmision Motor-Tambor.

La correa con perfil de tipo A es un tipo de correa reforzada con nylon, que seadapta perfectamente a la forma y necesidades del proyecto.


3.6. SISTEMA DE TRANSMISION DE MOVIMIENTO

Ademas, se ha buscado un modelo que sea bastante estandar para, en caso defallos, sea posible encontrar repuestos.

La correa seleccionada tiene 800 mm. de larga como se puede observar en lafigura 3.18.

Figura 3.18: Correa utilizada tapers y poleas.

3.6.3. Poleas de trasmision

Se ha decidido emplear poleas en lugar de engranajes debido a que las poleas sonmucho menos ruidosas y mucho mas precisas a la hora de transmitir el movimiento.

Para la transmision del movimiento entre el motor y el tambor se han emplea-do poleas de una sola garganta de perfil trapezoidal, tipo A. Una de ellas estaracolocada en el eje del motor mediante un elemento de sujecion llamado chaveta ychavetero, y en el caso del tambor la union se hace mediante una pieza intermediallamada taper, unida mediante prisionero de M8 5 como se muestra en la figura 3.19.Estas poleas tienen una relacion de transmision de 1:1 facilitando ası los calculos deldeslizamiento de la correa provocado por el perımetro abrazado.

5M: nomenclatura referente al tipo de rosca metrica



(a) Perfil dela polea.

(b) Polea solidaria al taper. (c) Taper.

Figura 3.19: Taper y polea unidas mediante prisioneros al tambor.

Esta polea tiene un diametro de 100 mm. y una anchura maxima de 20 mm., elresto de detalles referentes a las medidas, perfil y tambien al modelo 3D realizadoen Autodesk Inventor R© podran consultarse en el apartado planos A, al final de estamemoria.

Ademas de esta polea de 100 mm. con su taper tambien tiene una polea maspequena de 66 mm. que proporciona menos velocidad pero mas fuerza al sistemadebido a su relacion de transmision (figura 3.18).

3.7. Elementos conducidos

Tanto el rodillo como el tambor del banco de pruebas estan fabricados en aceroinoxidable que evitan en cierta medida la oxidacion y el desgaste al estar en contactocon la banda de rodadura.

3.7.1. Rodillo

El rodillo, como se ha dicho anteriormente, esta formado por una carcasa exteriorcilındrica de 50 mm. de diametro y 1 metro de largo, atravesado por un eje libre condos tapas a ambos lados que protegen el engrase interno de su mecanismo.

Durante el diseno se plantearon multiples materiales con los que realizar la bandade rodadura del rodillo entre ellos silicona, teflon, PVC y acero inoxidable. Ya quetanto el recubrimiento de silicona como el recubrimiento plastico iban enfocados auna reduccion del deslizamiento, pero debido a que las inercias y esfuerzos que vaa tener la cinta no van a provocar en ningun caso que este deslice, se ha escogidoutilizar un rodillo sin recubrimiento, es decir se va a utilizar una superficie de acero


3.7. ELEMENTOS CONDUCIDOS

inoxidable cepillado que ademas evita el desgaste de la cinta.

Ademas de por todo esto, el recubrimiento de acero inoxidable es especialmenteidoneo para ese trabajo ya que conforme a las indicaciones del fabricante para estosmenesteres no se recomienda ningun recubrimiento adicional sobre el acero, debidoa que este recubrimiento pierde propiedades y se desgasta de forma rapida con loscambios de velocidad.

La forma mediante la cual se une el rodillo al soporte de tipo tensor, es mediantetornillos M15. Esto es posible gracias a que el rodillo que proporciona el fabricantetiene en sus extremos del eje un agujero roscado como se puede observar en la figura3.20.

Figura 3.20: Detalle constructivo de la terminacion roscada del eje del rodillo.

3.7.2. Tambor

El tambor al igual que el rodillo esta formado por una carcasa exterior cilındricade 50 mm. de diametro y 1 metro de largo, este es atravesado por un eje fijo que girasolidario a este. Ya que el eje es fijo, no queda otra opcion que emplear rodamientosa ambos lados del tambor para conseguir un movimiento fluido y evitar el desgastetanto del eje como de su sujecion.

Al igual que anteriormente se ha explicado que no habıa necesidad ninguna detener un recubrimiento sobre el rodillo, en este caso para el tambor tampoco seranecesario, volviendo a tener una superficie de acero inoxidable cepillada en contactocon la banda de rodadura.

Unido al eje fijo del tambor se encontrara una polea encastrada, que se encargarapor medio de una correa trapezoidal tipo A de transmitir el movimiento a lo largo deel y, por tanto, a traves de todo el mecanismo. Esta polea tiene un diametro de 100mm. y un acabado superficial que evita deslizamientos, tal y como se ha explicadoen el apartado 3.6.3.



El tambor a diferencia del rodillo no dispone de agujeros roscados en sus ex-tremos puesto que su eje es fijo con la banda de rodadura. Su metodo de union esmediante rodamientos en sus extremos por lo que a cada lado del eje se tendra unaterminacion cilındrica a modo de barra calibrada que tendra de diametro la medidadel interior de los rodamientos que se han seleccionado. El aspecto de este eje sepuede observar en la figura 3.21.

Figura 3.21: Detalle constructivo de la terminacion del eje del tambor.

3.7.3. Rodamientos

Debido a que el eje del tambor es fijo con unas terminaciones cilındricas, se hanplanteado varios metodos para conseguir su apoyo en la pieza que la une al chasis.Una de las posibilidades era usar casquillos de un material mas blando que el delpropio eje que, bien podrıa ser de bronce como el de la figura 3.22, sin embargo estaidea se descarto debido a que la fuerza que se va a ejercer sobre el eje del tambor ibaa provocar desgaste prematuro en dichos casquillos, por esta razon, se ha empleadoel uso de rodamientos, que son un tipo de elemento mecanico que reduce la friccionentre el eje y la pieza conectadas a este mediante una carcasa de rodadura que actuacomo apoyo para facilitar el giro.

Figura 3.22: Casquillo de bronce a modo de rodamiento.


3.8. SISTEMAS DE SEGURIDAD

Los rodamientos que se han empleado para sujetar los extremos del eje del tamborson de la empresa GPZ de Madrid, que son unos rodamientos de muy alta calidad,con un certificado de cumplimiento de la normativa de dimensiones standards ISO355. El que se ha seleccionado es un rodamiento con referencia 6002- 2RS caracteri-zado por tener un diametro exterior de 32 mm., un diametro interior de 15 mm. y ungrosor de 9 mm., este rodamiento de acero cromo se puede observar en la figura 3.23.

Figura 3.23: Rodamiento de apoyo del eje del tambor.

Ademas de todo lo mencionado, estos rodamientos vienen provistos con dos ta-pas obturadoras para el cierre a modo de cubiertas de goma, que impide ası que elpoco viscoso aceite que lleva dentro no se salga.

3.8. Sistemas de seguridad

Para este banco de pruebas se han incorporado una serie de sistemas de seguri-dad para que llegado el caso de que la cinta no funcione correctamente, se minimiceel impacto que tenga ese mal funcionamiento sobre el robot y sobre dicha cinta.

Entre los sistemas de seguridad que incluye la cinta, se tienen tres que destacansobre los demas:

Un primer sistema de seguridad basado en el posicionamiento que realiza elOptitrack, donde se buscan posiciones anomalas al funcionamiento esperado.Si esto sucede se procedera a realizar una alerta por pantalla para que eloperario realice las operaciones necesarias para volver a la zona de confort,y si esta no es corregida se detendra la prueba que se este llevando a cabodeteniendo tanto el robot como la cinta.

Un segundo sistema de seguridad mas restrictivo que el anterior que se com-pone de dos sensores de barrera Sharp6 ubicados en los extremos de la cinta

6Un sensor SHARP es un sensor optico capaz de medir la distancia entre el y un objeto,para esto el sensor con la ayuda de un emisor infrarrojo y un receptor miden la distancia usandotriangulacion.



(figura 3.24). Sı el robot llegara por tanto a la posicion extrema tanto por ex-ceso de velocidad como por una reduccion brusca del movimiento se procederaa una detencion tanto del robot como de la cinta.

Figura 3.24: Sensores de barrera Sharp de infrarrojos.

Un tercer sistema de seguridad formado por dos barreras puramente mecanicascolocadas perimetralmente alrededor de la cinta. Este sistema de seguridad esel ultimo antes de producirse danos significativos en caso de que el robot sefuera a caer y es por ello que es fundamental esta ultima seguridad por si todolo anterior fallase. En este sistema se tienen dos barreras laterales de menorimportancia ya que los movimientos laterales del robot son menos preocupan-tes que los movimientos en el sentido longitudinal de la cinta. Y es por estarazon que las barreras laterales se hayan hecho con perfiles de 30 x 30 milıme-tros y la barrera frontal y trasera se hayan hecho con perfiles de 45 x 90 comose puede observar en la imagen 3.25.


3.9. CALCULOS DEL MOTOR

Figura 3.25: Barreras de detencion mecanicas.

Por ultimo si en lugar de ser el sistema el que detecta un fallo es un operario,este podra detener tanto el funcionamiento de la cinta como el funcionamiento delrobot tan solo apretando un boton de parada de emergencia situado en la barrerafrontal de la cinta, como se puede observar en la figura 3.25.

3.9. Calculos del motor

El motor posee una polea trapezoidal con un perfil de tipo A gracias a la cual sepuede transmitir el movimiento hacia el tambor de la cinta por medio de una correa.

Esta trasmision de movimiento se debe hacer con una potencia concreta que hasido calculada a partir de los valores maximo de velocidad y aceleracion que el robotproporciona, ası pues, los calculos se han realizado para obtener una velocidad de 2m/s en 1 segundo, dando como resultado 2 m/s2 de aceleracion.

El motor que se ha empleado, es un motor de la marca Berriola de corrientecontinua que suministra una potencia de 850 w, este motor tiene un peso de 5.5 kgy esta provisto de un volante de inercia que libera la energıa cinetica que acumulaen el momento que sea necesario, este realmente compensa las perturbaciones pro-ducidas unicamente por el motor ya que el resto del sistema ya tiene energıa cineticade sobra para devolverla si fuera preciso.

Una de las alternativas que se han contemplado es colocar un motor electricocon igual potencia, pero con tecnologıa brushless, caracterizado por no tener es-



cobillas. Este tipo de motor tiene como ventajas una mayor eficiencia, un menormantenimiento y un menor peso, sin embargo, en su contra tiene que el precio escomparativamente mucho mas elevado que en los motores convencionales. Debido aque para este proyecto las ventajas que posee este tipo de motor no son tan rele-vantes, se ha decidido utilizar el motor que anteriormente se ha comentado y que sepuede observar en la figura 3.26.

Figura 3.26: Motor empleado para el movimiento de la cinta.

Tambien se han descartado los motores AC debido ya que para su regulacion esnecesario emplear variadores de frecuencia. Estos variadores de frecuencia no suelenofrecer un control desde el PC por lo que han presentado la restriccion en la eleccionde este tipo de motor.

3.9.1. Excitacion serie/paralelo

Atendiendo a las caracterısticas generales de un motor de corriente continua sepuede saber que la velocidad se puede controlar de las siguientes formas:

Mediante el flujo producido en cada polo por la corriente de excitacion dondea menor flujo mayor sera la velocidad.

La tension que alimenta al motor, a mayor tension mayor velocidad anadiendola resistencia del circuito del inducido.

Para aportar datos a mayores del funcionamiento de un motor de corriente conti-nua, se dira que tan solo sera necesario cambiar la polaridad de uno de los devanadospara que el motor cambie de sentido [4]. Ası pues, tanto si se cambia la polaridad delinductor o la polaridad del inducido se conseguira cambiar de sentido al motor. Eneste caso no sera necesario cambiar la velocidad del motor ya que la cinta tendra unmovimiento unico hacia delante controlando la velocidad desde cero hasta el valornecesario para la prueba.



Dado que el motor del que se dispone no cumple con las necesidades de par yvelocidad en el momento del arranque se le ha anadido una excitacion para conseguirmejores prestaciones.

Excitacion serie: Como se puede observar a continuacion en la figura 3.27 laexcitacion que se utiliza se coloca en serie, al disminuir el par el motor se re-ducira lentamente la corriente, aumentando la velocidad rapidamente (graficaroja correspondiente a las caracterısticas mecanicas rpm-intensidad). Es poresta razon que los motores con una excitacion serie no son buenos trabajandoen vacıo, y requieren de una carga tanto en el momento del arranque como enel momento de funcionamiento.

Este tipo de excitacion, a modo de resumen, es ideal para obtener altos paresa bajas velocidades y viceversa, es, precisamente por esto, que es ideal paraeste banco de pruebas [3].

Figura 3.27: Curvas caracterısticas de motores de corriente continua con una exci-tacion en serie [3].

Excitacion paralelo: Si por el contrario se usara una excitacion en paralelo,se obtendrıan las curvas caracterısticas que se muestran a continuacion enla figura 3.28 haciendo que la demanda de intensidad sea muy constante apesar de los cambios en la velocidad del eje (curva roja), y son especialmentesensibles en situaciones donde se necesite mucho par a bajas revoluciones dondeel movimiento se hara practicamente inexistente como se puede observar en lagrafica verde correspondiente a las caracterısticas mecanicas par-velocidad [3].



Figura 3.28: Curvas caracterısticas de motores de corriente continua con una exci-tacion en paralelo [3].

3.9.2. Calculo de las masas

Se va a comenzar calculando las masas de las piezas que componen la parte movildel banco de pruebas, obteniendo la masa del rodillo, y del tambor de los elementosque los componen (tapas y ejes y tambien la masa de ambas poleas).

Calculo de la masa del rodillo:

Mrod = ρ · π · (R2ext −R2

int) · Lr · 2 = 3, 477 Kg (3.7)

Calculo de la masa de las tapas que cierran tanto el rodillo como el tambor:

Mtapas = ρ · π ·R2ext · Lt · 4 = 0, 062 Kg (3.8)

Calculo de la masa de los ejes:

Meje = ρ · π ·R2eje · Leje · 2 = 1,482 Kg (3.9)

Calculo de la masa de la polea de trasmision:

Mpolea =(ρ · π ·R2

int · Lgarganta

)+(2 · ρ · π ·R2

ext · Lpolea

)= 0,495 Kg

(3.10)

3.9.3. Calculo de las inercias

En este apartado se calcula la inercia de los elementos que se mueven ya queesta inercia provocara un aumento de la potencia en el motor, esto es debido princi-palmente a que las variaciones tanto de velocidad como de aceleracion son bastantefuertes, provocando que las inercias tomen un papel fundamental en el calculo delmotor.

Calculo de la inercia del rodillo mas las tapas laterales:

Irod =(mr · (R2

ext −R2int))

+

(1

2·mt ·R2

ext · 2)

= 1, 06 ·10−3 kg ·m2 (3.11)



Calculo de la inercia de los ejes tanto del rodillo como del tambor:

Ieje = me ·R2eje = 1, 67 · 10−4 kg ·m2 (3.12)

Calculo de la inercia de las dos poleas del sistema:

Ipolea =(mint ·R2

int

)+(2 ·mext ·R2

ext

)= 1, 65 · 10−3 kg ·m2 (3.13)

Calculo de la inercia de la correa a pesar de ser practicamente despreciable:

Icorrea = mc ·R2ext = 3, 13 · 10−4 kg ·m2 (3.14)

Calculo de la inercia que tiene el robot que se va a estudiar sobre el banco depruebas:

Irobot = mr ·R2ext = 7, 50 · 10−3 kg ·m2 (3.15)

El sumatorio de todos estos momentos de inercia permitira calcular el par motoren el apartado 3.9.6.

Sumatorio de las inercias =∑

I = 1, 069 · 10−2 kg ·m2 (3.16)

3.9.4. Calculo de la aceleracion

Ya que la aceleracion que se busca es de 2 m/s2, la aceleracion angular que de-bera proporcionarse a los rodillos sera de α = 2

Rext= 120 m

s2siendo la Rext el radio

exterior que tienen tanto el rodillo como el tambor.

3.9.5. Calculo de la velocidad

Puesto que se va a buscar una velocidad de 2 m/s, y que la relacion de poleases de 1:1, se tendra que hacer girar al motor con una velocidad de:

V =

(vel

2 · π ·Rext

)· 60 = 763, 94 rpm (3.17)

3.9.6. Calculo de la potencia necesaria en el motor

En cuanto al motor, el par mınimo en el eje del rodillo se calculara como elresultado del sumatorio de inercia por la aceleracion angular:

M = (∑

I) · α = 0, 85 N ·m (3.18)

La potencia necesaria en vatios para que el motor sea capaz de superar todolo calculado anteriormente y ademas alcanzar la aceleracion y velocidad que se ha



impuesto, sera el producto de ese par M por la velocidad angular del motor.

Potencia = M · ω = 653, 20 W (3.19)

Hay que tener en cuenta que no ha sido posible realizar una aproximacion de lasfuerzas debido al rozamiento, por esta razon se ha decidido mayorar el calculo depotencia con un factor de 1,2, dando un valor de potencias de 783,84 w.

Puesto que despues de todos los calculos, la potencia que suministra el motor essuperior a la potencia necesaria para el movimiento del sistema, se dan por termina-dos los calculos de este capıtulo dejando de forma escrita la valıa de nuestro motorpara este proyecto.

3.10. Electronica

Toda la electronica de la que dispone la cinta: el ordenador de la cinta, el arduino(seccion 5.5), el variador (secciones 5.5 y 3.12), la bobina (seccion 3.9.1), los senso-res de barrera (seccion 3.11), las fuentes de alimentacion, etc. Estan debidamentecolocadas y organizadas sobre una tabla (figura 3.29) junto al motor para que todaslas conexiones se puedan hacer en el mismo lugar sin necesidad de tener que llevarel cableado largas distancias.

Figura 3.29: Tabla de soporte de toda la electronica del proyecto.

3.11. Sensores de barrera

Para poder colocar los sensores de barrera se ha realizado un modelo 3D queposteriormente se ha impreso. Este modelo se compone de 4 agujeros, dos de ellospara sujetar el sensor y dos de ellos para sujetar la pieza al perfil de 30 mm. x 30mm., mediante tornillos en forma de T como se muestra en la figura 3.30.


3.12. VARIADOR

(a) Sensor unido al chasis. (b) Soporte impresoen 3D.

Figura 3.30: Sensor Sharp y su soporte.

3.12. Variador

Para que el motor sea controlado mediante la consigna de un topico de ROS esnecesario que haya un elemento intermedio entre el motor y el arduino, este elementoes el variador encargado de regular el voltaje que le llega al motor.

Estos variadores se conectan por un lado al regulador PWM7, por otro lado almotor y por ultimo se conecta a la fuente de alimentacion que esta siempre ofre-ciendole al variador tanta tension y corriente como soporte el motor.

PWM es una forma de controlar dispositivos analogicos con una salida digital.El objetivo es conseguir con un dispositivo digital, una salida analogica mediante lavariacion del tiempo de ciclo de la senal, de esta forma se consiguen unos voltajespromedios (lınea roja) que imitan un valor analogico de tension como se observa enla figura 3.31.

7La modulacion por ancho de pulsos (tambien conocida como PWM, siglas en ingles de pulse-width modulation)



Figura 3.31: Ciclos de trabajo de un PWM para distintos valores digitales entre 0 y5 voltios.

El variador que se ha empleado es el que se observa en la figura 3.32, que llevaun circuito integrado (L298) que se muestra en el anexo: hojas de caracterısticas.

Figura 3.32: Variador para el control del motor.


Capıtulo 4

Captacion de movimiento

Mediante el uso del Optitrack se consiguen obtener datos tanto de la posicion(X, Y, Z) como de la orientacion (σ, β, γ) de un objeto identificado mediante mar-cadores (figura 4.1) fijados a este.

Figura 4.1: Marcador con forma de esfera para el seguimiento.

El sistema esta formado por un conjunto de camaras infrarrojas de alta velo-cidad calibradas para un espacio y posicion concretas. Todas estas camaras estancomunicadas entre sı creando en su conjunto, un espacio de trabajo con la formaaproximada de una esfera.

La forma de registrar todos estos datos es mediante el uso de un software aso-ciado a esta herramienta llamada Tracking Tools que envıa los datos de posiciony orientacion a un socket especificado por el usuario. ROS, a traves de un nodoespecıfico, es capaz de conectarse a este y obtener los datos.

Para este proyecto es necesario saber en todo momento el cambio de posicion queexperimentan los cuerpos en el espacio, ya que, gracias a esto, sera posible realizarun control que permita que tanto el banco de pruebas como el robot compartan laposicion, independientemente de sus movimientos.

49

CAPITULO 4. CAPTACION DE MOVIMIENTO

El modelo de camaras que hay en el grupo ROBCIB permiten hacer un se-guimiento del movimiento a altas velocidades, ya que son capaces de digitalizarimagenes a una velocidad de 250 fps 1.

4.1. Calibracion

Antes de hacer ninguna tarea de captacion de movimiento se debe realizar la ca-libracion de las camaras para conseguir que el programa Tracking Tools las ubique ala perfeccion en el espacio de trabajo. Para realizar esta tarea es necesario, primerocolocar manualmente las camaras de tal forma que cubran completamente el espaciode trabajo, consiguiendo, ademas, que cada camara sea vista por otras tres de estas,de manera que entre camaras sean capaces de calibrarse la ubicacion y la orientacion.

Una vez que las camaras estan perfectamente colocadas en el espacio real, seprocede a la calibracion mediante software. Para realizarla se debe usar en el Trac-king Tools la opcion de calibrar y mediante un baston como el que se observa en lafigura 4.2, se comienza el proceso de recopilacion de puntos.

Figura 4.2: Baston para el proceso de calibracion.

Hay que decir que este baston es muy particular, esta fabricado en aluminioanodizado y posee tres bolas refractarias en su extremo, colocadas a distintas dis-tancias, estas medidas son sumamente precisas para que el programa detecte esteobjeto como uno de calibracion cuando se mueva por el espacio de trabajo.

A medida que se va pasando este baston a lo largo, ancho y alto de toda la esce-na, el programa va sacando la nube de puntos, ası como posiciones, por las que esteobjeto de calibracion ha pasado, ademas de esto se va sacando una nube particularde puntos para cada una de las camaras, esto ultimo es muy util ya que en la nubegeneral es difıcil saber si todas las camaras estan detectando la misma cantidad de

1Fotogramas por segundo


4.1. CALIBRACION

(a) Baja cantidad de puntos. (b) Alta cantidad de puntos.

Figura 4.3: Nube de puntos.

puntos. Este proceso se puede ver en la figura 4.4 donde se aprecia como va aumen-tando la cantidad de puntos de la imagen a) a la imagen b).

Figura 4.4: Mejora de la precision cuantos mas puntos hay.

Cuando la cantidad de puntos es superior a los 2000 para cada una de las cama-ras, el programa avisara que se ha pasado de la precision high a very high (figura4.5)y, por tanto, se esta en disposicion de finalizar la calibracion y comenzar loscalculos iterativos.

Una vez se han alcanzado los 2000 puntos para cada una de las camaras se irapasando por todos los valores tomados, para ir aumentando la precision del sistema.Esto se puede observar en la figura 4.5. A medida que se va calculando, va la pre-cision pasando de color amarillo, inicialmente, hasta verde de forma independientepara cada camara, esto indica que estan dentro de unos rangos excepcionales o ex-celentes de medicion, siendo este el momento en el que se finalizan las iteraciones y



aplicar los resultados.

Figura 4.5: Calculo de la precision del sistema mediante interpolacion de los puntostomados.

Una vez realizado este proceso anteriormente descrito, ya se tiene el sistema cali-brado para detectar objetos y seguir su movimiento, sin embargo, no esta completala calibracion, ya que es necesario que esa disposicion de las camaras este dispuestacomo en la realidad, tomando como referencia el suelo.

Para calibrar el suelo es necesario usar una escuadra especial propia del sistemaOptitrack (figura 4.6) que se caracteriza por tener tres bolas reflectantes dispuestasde manera precisa, y dos burbujas de nivelacion que permitiran colocarlo perfecta-mente paralelo al suelo.

Una vez que la escuadra este en el centro de la sala, nivelada y orientada, seemplea el Tracking Tools para crear un trackable (explicado en la seccion 4.4) que lorepresente, esto se consigue seleccionando las tres bolas reflectantes como se muestraen la figura 4.6.

Figura 4.6: Escuadra para la calibracion del suelo en nuestro sistema.


4.1. CALIBRACION

Si la seleccion de estas tres bolas se dificulta debido a su parpadeo o a su des-aparicion, se pueden ajustar los parametros que junto a la camara se muestran enla figura 4.7, para que vuelvan a ser visibles y estables.

Figura 4.7: Seleccion del trackable para calibrar el suelo.

Una vez hecho esto, el programa ya dispondra de toda la calibracion completa,es decir, estarıa en condiciones de empezar a hacer captura de movimiento, pero nosin antes garantizar que el volumen de trabajo captado por las camaras este maxi-mizado segun nuestras necesidades. Como se puede ver en la figura 4.8 este espaciode trabajo se aproxima en mayor o menor medida a una esfera, por lo que el sitiomas optimo para realizar trabajos es el punto de convergencia de todas las camaras(el centro de la sala).

Figura 4.8: Volumen donde el Optitrack es efectivo (esferico).

4.1.1. Comunicacion

Para que el programa Tracking Tools envıe la informacion al paquete VRPN deROS (detallado en el apartado 5.2.5) y a su vez este lo publique y se pueda trabajarcon ello, es necesario ajustar el panel de transmision de datos de Optitrack, para



conseguir esto, se debe habilitar la transmision de datos de un cuerpo rıgido (Trac-kable) a traves del protocolo del VRPN 2 utilizando el puerto 3883 que figura pordefecto.

Todo esto se puede apreciar en la figura 4.9.

Figura 4.9: Datos necesarios para que el Optitrack publique la informacion mediantevrpn.

El esquema de comunicacion que tienen los elementos que intervienen en el sis-tema completo son los que se muestran en la figura 4.10.

2El paquete Vrpn ha sido desarrollado por Paul Bovbel y esta compuesto por un conjuntode clases que forman una biblioteca creada para redes perifericas de realidad virtual. La ultimamodificacion realizada ha sido el 30/07/18.


4.2. CAMARAS

Figura 4.10: Esquema de comunicacion entre camaras, router, switch y ordenadoresjunto a su velocidad de comunicacion.

4.2. Camaras

Como es logico pensar, el sistema Optitrack cuenta con una amplia variedad decamaras dependiendo la finalidad de su uso. En este caso las ocho camaras que seutilizan para la captura de movimiento son del modelo S250:E de Optitrack, con elaspecto de la figura 4.11. Dentro de este modelo de camara se tienen dos formas decomunicacion, mediante ethernet o USB. En este caso se usa ethernet ya que es unsistema mas rapido con un amplio rango de funcionamiento.



(a) Aspecto real.

(b) Plano de medidas (en pulgadas).

Figura 4.11: Camara del sistema Optitrack para la captura del movimiento.

Entre las principales caracterısticas que poseen estas camaras estan las siguientes:

Son camaras capaces de grabar grandes volumenes, gracias a sus 52 grados deapertura focal.

Tienen una alta velocidad, son capaces de sacar hasta 250 imagenes por se-gundo.

Contienen un procesador incorporado que permite reducir retrasos a la horade mandar dichas imagenes a el ordenador.

Pueden conmutar entre los dos filtros que poseen: imagenes en el espectrovisible e imagenes en el espectro infrarrojo, esta es una herramienta muy util yaque permite interpretar las imagenes infrarrojas3 desde unas imagenes visiblesconvencionales.

Es ajustable tanto la exposicion, la resolucion, el procesamiento e incluso laintensidad lumınica de los LED infrarrojos.

3La radiacion infrarroja (IR) es una radiacion electromagnetica cuya longitud de onda com-prende desde los 760-780 nm., limitando con el color rojo en la zona visible del espectro, hasta los10.000 o 15.000 nm., limitando con las microondas [34].


4.3. TRACKING TOOLS

Por ultimo, estas camaras pueden operar en un rango de grises, mejorando asıla velocidad de procesamiento de las imagenes.

El aspecto de la camaras como se ha visto en la figura 4.11 es muy compacto,ideal para ubicarlas sin problemas en espacios reducidos.

4.3. Tracking Tools

Esta es la herramienta fundamental con la que trabaja el sistema Optitrack. Esel software capaz de registrar todos los datos que las camaras envıan, mostrando enpantalla en tiempo real objetos como: camaras, objetos (trackables), suelo y todoslos elementos que se encuentren en el espacio de trabajo.

Este programa permite al usuario realizar una configuracion facil, ya que el seencarga de realizar toda la comunicacion entre las camaras y el ordenador. Ademas,realiza un primer ajuste de los parametros fundamentales de vision como son labinarizacion, los FPS, la luz, etc.

Otra de las caracterısticas fundamentales de este programa es que una vez estaconfigurado y ha inicializado los parametros a su criterio, aun se podrıan modificarpara garantizar que todo funcione como se desea para cada situacion.

Si despues de toda esta configuracion aun quedan zonas donde se detectan ob-jetos que no son de interes (provocados generalmente por brillos indeseados), sepueden eliminar facilmente para que no provoquen ruido dentro del sistema, utili-zando el menu de herramientas que se muestra a continuacion 4.12.



Figura 4.12: Herramientas para la edicion y la eliminacion de objetos no deseadosen la imagen.

La forma mutua que tienen las camaras y este programa de verificar su correctaconexion, es indicar en cada camara un numero ubicado en la parte frontal, comose puede observar en la figura 4.11. Este numero comienza con el 1 y acaba en elnumero maximo de camaras que se tengan en el sistema (8 en nuestro caso).

4.4. Trackables

Se le llama trackable a un objeto que se encuentre en el espacio de trabajo delOptitrack, siendo este obligatoriamente un objeto rıgido4.

Este objeto rıgido es marcado en el espacio mediante un conjunto de mas de 3bolas que reflejan la luz emitida por las camaras o bien mediante unos diodos LEDsque emiten luz infrarroja. Es mejor esta ultima opcion ya que la deteccion es masrobusta, pero tiene el inconveniente de necesitar alimentacion independiente.

Los objetos en el programa designados como trackables tienen el aspecto de lafigura 4.13 donde todos los objetos de reflexion de la luz se unen entre sı marcandosobre ese area un punto central, que sera la informacion relevante que se enviara porVRPN.

4Un objeto rıgido se define como aquel que no sufre deformaciones por efecto de fuerzas externas,es decir, un conjunto de mas de 3 bolas cuyas posiciones relativas no cambian


4.4. TRACKABLES

Figura 4.13: Aspecto de un trackable dentro de Tracking Tools.


Capıtulo 5

Control y comunicacion delsistema

5.1. Arquitectura del sistema de control

La arquitectura del sistema de control se basa en un control en lazo cerradodonde la accion de control depende de la salida en el estado anterior.

Este sistema se ha creado para que reaccione y compense las perturbaciones quepudiera tener el sistema. Debido que el robot que se coloca sobre la cinta va a tenerconstantes variaciones de velocidad, y se va a tener por consiguiente una continuaperturbacion debido a esto.

Mediante este lazo cerrado se tiene una retroalimentacion haciendo que la saliday la entrada se comparen y dependan la una de la otra. Todo esto lo que pretendees estabilizar el sistema y reducir lo mas posible las perturbaciones. De esta manerael sistema no dejara de realizar su funcion (reducir la distancia entre el centro delrobot y el centro la cinta) hasta no haber alcanzado el objetivo buscado y volvera aponerse en funcionamiento cuando sea preciso volver a minimizar dicha distancia.

La referencia del sistema sera la posicion del robot en todo momento respecto alcentro de la cinta, que se va a restar a la salida controlada por el Optitrack. El errorpor tanto, que se introducira en el control PID (5.4), sera su diferencia, y una vezque se tenga la salida del control, se pasara por medio de una consigna de velocidadal motor de la cinta para que este proporcione una salida del sistema, que nueva-mente sera medida por el Optitrack creandose ası el lazo de realimentacion que seobserva en la figura 5.1.

61

CAPITULO 5. CONTROL Y COMUNICACION DEL SISTEMA

Figura 5.1: Arquitectura del sistema de control.

5.2. ROS

ROS es un SDK (software development kit) disenado para crear aplicacionesroboticas. Es muy util para los campos de la industria, educacion y la investigacionya que es un sistema con arquitectura distribuida [35].

Debido a que ROS es de codigo abierto, es un sistema empleado por una granmultitud de entidades y usuarios que dotan a este sistema de flexibilidad para adap-tarse a las necesidades de cada uno.

La arquitectura de ROS, se compone principalmente de un nucleo principal (ros-core) y varias ejecuciones llamadas nodos que se comunican entre sı mediante topicos.

La version de ROS que se ha utilizado para este trabajo ha sido Indigo que hasido instalado en el sistema operativo Lubuntu 12.04.

Figura 5.2: Open Source Robotics fundation.


5.2. ROS

5.2.1. Paquete

ROS esta organizado por paquetes, en cada paquete se pueden encontrar diferen-tes nodos, librerıas, datos archivos de configuracion o cualquier otra informacion queproporcione funcionalidad y utilidad al conjunto del sistema. Los paquetes por logeneral deben ser tan simples como sea posible y tan complejos como sea necesarioya que sı el paquete es demasiado complejo y por tanto pesado sera mas difıcil serutilizado por otros software.

Esta unidad llamada paquete es la que constituye la unidad mas pequena decompilacion y lanzamiento que se puede hacer en ROS.

5.2.2. ROScore

El maestro es el que se encarga de que todos los nodos y servicios se comu-niquen entre sı para poder intercambiar mensajes siguiendo un grafico basado enlos registros que tiene el computador. De no existir un maestro, y a pesar de tenerun conjunto de nodos, no serıan capaces de comunicarse ni de intercambiar mensajes.

5.2.3. Nodo

Se denomina nodo a cada uno de los procesos que tienen lugar en el computador,estos procesos pueden ser el control de un laser, unas ruedas, una camara o cualquierotro elemento tıpico en la robotica.

Los nodos se comunican entre sı mandandose mensajes mediante la suscripciono publicacion de los mismos. Estos nodos son procesos que se ejecutan de formaindependiente utilizando un nombre que le represente.

ROS permite obtener en todo momento mediante un comando los nodos que seestan ejecutando, si estos estan publicando o si estos estan suscritos a algun Topic.De esta manera sı se usa el comando “rosnode list” se obtendra que nodos estan enese momento en ejecucion, y si se usa el comando “rosnode info nombre Nodo ” seobtendra la informacion relevante de un nodo en concreto.

5.2.4. Topicos

Los topicos son los metodos que tienen los nodos para comunicarse entre sı, es-tos son bandejas de mensajes a los que te puedes suscribir y sobre los que puedespublicar informacion. Al no tener los nodos una comunicacion directa, se puede des-acoplar el consumo de datos, evitandose ası problemas a la hora de la ejecucion

Los nodos por tanto se pueden comunicar a traves de topics suscribiendose opublicando informacion en ellos, dicha informacion debe estar en el tipo de formato



adecuado, por esta razon tanto si lo que se quiere es suscribirse como si se quierepublicar en un topic habra que tener en cuenta el formato de datos con el que tra-baja dicho topic.

Varios nodos pueden suscribirse al mismo topic y publicar sobre el mismo topic,gracias a esto, varios nodos pueden trabajar con la misma informacion generada ypublicada por un tercer nodo.

La distribucion que tienen los topics es por niveles, ası pues, haciendo el uso dela barra “/” se puede acceder a topics mas profundos dentro del arbol global.

5.2.5. Paquete VRPN Client ROS

El paquete VRPN ha sido desarrollado por Paul Bovbel [33] y esta compuestopor un conjunto de clases que forman una biblioteca creada para redes perifericasde realidad virtual.

Este paquete se encarga de publicar la informacion de rastreo de los diferentesobjetos (Trackable) que en el sistema Optitrack se detectan.

El nodo VRPN publica tres topics acerca de la informacion del trackable: Lapose (posicion), la twist (orientacion) y la accel (aceleracion), entre muchos otroscomo se puede observar en la figura 5.3 de su esquema.

Figura 5.3: Esquema VRPN client ROS.

Este paquete se adapta perfectamente a las necesidades de este proyecto, ya queesta desarrollado entre otros en ROS Indigo, que es el que se utiliza a lo largo de


5.3. TRATAMIENTO DE LOS DATOS DEL PAQUETE VRPN

todo el trabajo. Esto evita que se tengan que hacer adaptaciones del paquete original.

Este paquete no es solo compatible con OptitrackTM, es compatible con muchosde los sistemas actuales de captacion de movimiento como es el caso de Vicon.

5.3. Tratamiento de los datos del paquete VRPN

El paquete VRPN como ya se ha dicho en el subapartado 5.2.5 transmite losdatos de posicion y orientacion obtenidos desde el OptitrackTM. Estos datos porsi solos no se pueden utilizar para el control PID, ya que como parece obvio seranecesaria la proyeccion de la posicion del robot en el eje longitudinal de la cintapara que de esta manera se pueda colocar arbitrariamente la cinta en cualquierade las posiciones del espacio y no necesariamente siendo esta en la que los dos ejescoincidan.

Como se muestra a continuacion en la figura 5.4, se podra situar en cualquiersitio del espacio de trabajo colocada la cinta y para que el robot tenga las coordena-das dadas sobre el sistema de coordenadas de la cinta se deben transportar dichascoordenadas desde el sistema de coordenadas del origen del Optitrack al origen de lacinta. Para realizarlo se necesita conocer el angulo que forma el sistema de coordena-das de la cinta con el sistema de coordenadas del origen del Optitrack, y a mayoreslas posiciones tanto del centro de la cinta como la del centro del robot.

Como se puede observar en la figura 5.4 se tiene representado el sistema de coor-denadas del Optitrack en color azul y el sistema de coordenadas de la cinta en colorverde. Ademas de esto, se puede apreciar la posicion central tanto del robot comode la cinta y los angulos y medidas que forman estos entre sı.



Figura 5.4: Representacion esquematica de los sistemas de referencia y su proyeccion.

Una vez se tenga esto se esta en disposicion del calculo de µ y ρ que representanla posicion del robot respecto al sistema de referencia de la cinta. La µ en primerlugar es la que se utiliza como valor de entrada al control tentando en todo momentoque este se haga cero. Por otro lado, la ρ da la distancia del centro del robot al ejelongitudinal de la cinta, este dato aun no siendo importante para el movimiento delbanco de pruebas, es importante para conocer si el robot se va a salir por los ladosdel banco de pruebas y actuar en consecuencia.

Los calculos estan basados en las coordenadas polares giradas [19], ası pues, setendra:

µ = (a2 + b2)12 · cos(α− θ) (5.1)

ρ = (a2 + b2)12 · sin(α− θ) (5.2)

5.3.1. Esquema del paquete (ROS)

El sistema de comunicacion que se ha creado para este proyecto se compone de3 nodos y 3 topics, tal y como se muestra en la figura 5.5.


5.4. CONTROL PID

Figura 5.5: Esquema fundamental de ROS.

El primer nodo que se utiliza es el VRPN que ademas de comunicarse ROS, publi-car la posicion y la orientacion de uno o varios trackables. En este caso se tienen dostrackables, el del banco de pruebas y el del robot. Ambos topics usan el mismo tipode datos (geometry msgs/PoseStamped), que esta formado por una posicion x, y, z,y una orientacion en cuaternios que mas adelante se transformara a angulos de Euler.

El segundo de los nodos es el control de la cinta y se suscribe a los dos topicsanteriormente mencionados, llamados “/vrpn client node/cinta/pose” de la posicionde la cinta y “/vrpn client node/robot/pose” de la posicion del robot. Este nodo seencarga de calcular a traves de teorıas de control, un PID que de como resultadouna consigna de velocidad para el motor, dicha consigna se publicara en un topicllamado “/cons vel”.

El tercer nodo es un arduino que se suscribiran al topic “/cons vel” y a travesde su software interno y un puerto PWM transmitira dicha informacion al variadordel motor.

5.4. Control PID

Un controlador PID (Controlador Proporcional-Integral-Derivativo) es un me-canismo de control por realimentacion ampliamente usado en sistemas de controlindustrial. Este calcula la desviacion o error entre un valor medido y un valor desea-do o de referencia.

La forma que se tiene de que el robot se mantenga en el centro de la cinta altiempo que va realizando sus pruebas de movimiento, es mediante un control PIDprogramado en C++ dentro del segundo nodo que se ha mencionado, llamado con-trol de la cinta.

Este control PID se basa en un control mediante la realimentacion del estado delsistema. Este sistema, en este caso, busca que la diferencia o el error entre el centro



de la cinta y el centro del robot sea mınimo.

Para conseguir esto el control PID tiene tres parametros que definen su compor-tamiento: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional dependedel error actual. El Integral depende de los errores pasados y el derivativo es unaprediccion de los errores futuros. La suma de estas tres acciones es usada para ajus-tar al proceso por medio de un elemento de control un motor en el caso de esteproyecto, que controla el movimiento de la cinta.

El esquema sobre el que se ha sustentado todo el control para realizar la imple-mentacion en codigo C++ del PID, es el que se ve en la figura 5.6.

Figura 5.6: Esquema de funcionamiento de un control PID.

Ajustando las tres variables que figuran en este esquema kp o control proporcio-nal, el ki o control integral y el kd o control derivativo, se puede realizar una accionde control sin conocer a fondo la funcion exacta que define el sistema. Ademas deeste control PID se ha implementado un control adaptativo que permite ademasde estos tres parametros, colocar un valor maximo y mınimo para la consigna quecontrola el motor.

Por lo tanto, para que el control PID funcione correctamente es necesario: porun lado un sensor que de las posiciones, tanto del robot como del banco de pruebasy un sistema actuador que permita reducir la distancia que separa el centro de lacinta con el centro del robot y el tiempo en el que esa operacion sucede, utilizandoel motor que mueve la cinta anteriormente descrito.

Para que el sistema en su conjunto funcione correctamente, se ha anadido uncontrol adaptativo que endurece los parametros del PID en los extremos para evitar(como medida de seguridad) que el robot se salga tanto por delante como por detrasde la cinta.

Los parametros basicos con los que funciona la cinta cuando el robot nos acercalos extremos son kp = 10, kd = 0.1 y Ki = 0.5.


5.5. VARIADOR DEL MOTOR Y EL ARDUINO

5.5. Variador del motor y el arduino

Debido a que el variador del motor suministrado, posee un conjunto de pinesque marcan el sentido de giro y el valor del divisor de tension, se ha necesitado unArduino Uno como se ve en la figura 5.7 que sera el que se encargue de suscribirseal topic “/cons vel” y transformar la informacion de consigna en un valor basado enPWM que ira entre 0 y 255.

Figura 5.7: Arduino Uno.

Este Arduino realiza todas las operaciones de comunicacion con el ordenadorque contiene ROS mediante el puerto serial, a traves del paquete de ROS llamadorosserial (apartado 5.6).

Ademas de las funciones de transformacion de la velocidad en un PWM tambiense encarga de publicar dicha informacion en un topico para que posteriormente sepueda hacer mediante otro paquete (apartado 5.8) una recopilacion de los datospara evaluar el funcionamiento el sistema.

5.6. Tratamiento de los datos del paquete rosse-

rial

Rosserial es un protocolo que permite comunicar los distintos dispositivos conec-tados mediante puerto serie o socket con ROS. Este paquete, por tanto, es ideal eneste proyecto para realizar la comunicacion entre un Arduino y ROS.

El objetivo del Arduino es como, se ha dicho en el apartado 5.5, sustituir un po-tenciometro a traves de un PWM, para conseguir eso el Arduino debe leer de un topicde ROS siendo, por tanto, este paquete una buena opcion para conseguir el objetivo.



5.7. Paquete de control de la cinta

El paquete encargado de realizar el control de la cinta tiene dos funciones que seexplican a continuacion:

Una primera funcion que se encarga de recopilar los datos provenientes delpaquete VRPN quedandose, de todos esos datos, con la posicion y la orienta-cion. Esto permite que se conozca en todo momento la posicion del robot y laposicion de la cinta.

Debido a que la orientacion viene dada por cuaternios, ha sido necesario reali-zar una transformacion a angulos de Euler para trabajar en un entorno muchomas familiar. Esto ha permitido acelerar mucho las tareas de validacion refe-rentes a los angulos en los que se colocan tanto el robot como la cinta explicadosen el apartado 5.3.

Para realizar esta transformacion se llevan a cabo las operaciones siguientes,conociendo el cuaternio q.x, q.y, q.z y q.w y buscando los tres angulos de Eu-ler: roll, pitch y yaw.

Calculo de Roll:

Seno de Roll = 2 · (q.w · q.x+ q.y · q.z) (5.3)

Coseno de Roll = 1− 2 · (q.x · q.x+ q.y · q.y) (5.4)

Roll = atang

(Seno de Roll

Coseno de Roll

)(5.5)

Calculo de Pitch:

Seno de P itch = 2 · (q.w · q.y − q.z · q.x) (5.6)

Si (Seno de P itch ≥ 1 ) ⇒ Pitch =

{Magnitud→ PI/2

Signo→ Seno de P itch(5.7)

Si (Seno de P itch < 1 ) ⇒ Pitch = Arsin(Seno de P itch); (5.8)

Calculo de Yaw:

Seno de Y aw = 2 · (q.w · q.z + q.x · q.y) (5.9)

Coseno de Y aw = 1− 2 · (q.y · q.y + q.z · q.z) (5.10)

Y aw = atang

(Seno de Y aw

Coseno de Y aw

)(5.11)

Una segunda funcion que se encarga de publicar en un topico llamado “/cons vel”los datos de salida calculados mediante el PID del sistema. Este PID que hasido implementado en C++, tiene como entrada de control la diferencia deposicion entre el centro de la cinta y el centro del robot de tal forma que este


5.8. PAQUETE RECOPILACION DE DATOS

ultimo se mantenga siempre lo mas proximo de la posicion central de la cintaevitando ası zonas peligrosas de caıda por los extremos. Por lo tanto, el valorque se pretende minimizar es la distancia entre centros y el valor de referenciaque se quiere alcanzar es 0.

5.8. Paquete recopilacion de datos

Una de las mejores formas que se tiene para observar de forma clara y rapida elfuncionamiento del sistema es realizando una grafica con todos los datos de veloci-dad tanto de la cinta como del robot a lo largo del tiempo. Esto permite conocer sıla cinta sigue perfectamente los movimientos del robot.

Como se muestra en la figura 5.8, si el robot realiza pequenos cambios en lavelocidad, el sistema que controla la cinta sera capaz de seguirla y acomodarse a elconsiguiendo un estacionario con una leve oscilacion.

Figura 5.8: Grafica que representa la velocidad del robot con respecto a la velocidadde la cinta (naranja = velocidad del robot, azul = velocidad de la cinta).

A pesar de que parezca que en el estacionario la variacion de velocidad de la cintaes mucha, si uno se fija en el eje, dicha variacion es muy pequena con respecto a la



velocidad del robot, haciendo que el robot permanezca centrado, y sin que cambiela distancia de referencia con la cinta.

5.9. Pruebas realizadas

Para poder validar el buen funcionamiento del banco de pruebas se han reali-zado un conjunto de experimentos con distintos robots para tareas de busqueda yrescate. En este conjunto de robots tienen diferentes sistemas de locomocion comoson: ruedas, orugas, y dos tipos de patas (de arana y en forma de C).

5.9.1. Definicion de las pruebas realizadas

Debido a las limitaciones de movimiento de la cinta (solo en el eje de avance), laspruebas realizadas solo han sido realizadas en una direccion, sin embargo, a pesarde ser solo un eje de desplazamiento se pueden realizar numerosas pruebas, sobretodo para comprobar las reacciones ante aceleracion y desaceleraciones.

Las pruebas tenıan una duracion de entre 60 y 120 segundos, se especificaron 3modelos de prueba: una solo de aceleracion, una de desaceleracion y una ultima quecontempla aceleracion y desaceleracion.

En todas las pruebas cada 20 segundos, desde el inicio, se realiza una modifica-cion en la consigna de velocidad y se esperan otros 20 segundos para ver si el sistemaes capaz de estabilizarse.

Para comprobar la fiabilidad del sistema, si un robot es capaz de superar unaprueba, se realiza una nueva prueba con un incremento mayor en cada paso paraverificar hasta que punto es capaz el sistema de adaptarse al robot.

5.9.2. Robots con patas en forma de C

Debido a que el robot se encuentra todavıa en fase de desarrollo solo se pudoconseguir una velocidad maxima de 0.7 m/s por seguridad. Sin embargo, a pesar deesa limitacion de seguridad, pudo superar las pruebas sin problemas.

Ademas de las pruebas de velocidad, se pudo realizar otra serie de pruebas enlas que se modificaba el angulo de apertura de los pasos. Los resultados confirmaronlos datos de las simulaciones y de los calculos, a mayor angulo, se produce un mayorzigzag en el modo de marcha de avance del robot.

Ese tipo de robot se ha comportado muy bien sobre la cinta ya que su movi-miento del trıpode inverso no provocaba grandes desplazamientos y esfuerzos sobre


5.9. PRUEBAS REALIZADAS

la banda de rodadura.

Debido a que este robot tiene unas patas que ejercen mucha fuerza y flexion,cabıa la posibilidad de que llegaran a danar la banda de rodadura del banco depruebas no obstante se decidio poner en las patas del robot unas protecciones decaucho que evitaran todo esto como se puede observar en la figura 5.9.

(a) Vista 1. (b) Vista 2.

Figura 5.9: Pruebas del robot con patas de tipo C.

Debido a que este robot todavıa estaba en desarrollo las velocidades maximascon las que se ha trabajado en las pruebas ha sido de 4 km por hora, velocidad su-ficiente para realizar todas las pruebas necesarias de validacion del banco de pruebas.

5.9.3. Robots con orugas

Uno de los principales problemas que han tenido este tipo de robots y que hanobligado ha hacer actualizaciones y mejoras sobre el banco de pruebas, ha sido de-bido a que sus orugas (figura 5.10) provocan grandes esfuerzos laterales de la cintacuando realiza operaciones de giro. Esto se ha solucionado aumentando la tension dela banda de rodadura y colocando un mejor sistema equilibrado y posicionamientode la misma.

Ademas, otro problema que se ha observado, es que una tension distinta en lasorugas del robot, provoca que el mismo no pueda seguir una trayectoria recta sincorregir su propio rumbo. La solucion a este problema vine por compensar la des-viacion que tiene el robot con una inclinacion el banco. Gracias a que las patas sonregulables, elevando el lado longitudinal de la cinta hacia el que el robot se desvıa,se puede compensar la diferencia de tension de las orugas.




Figura 5.10: Pruebas realizadas con robots con orugas.

Las pruebas, al igual que pasa con los robots con ruedas (explicados a conti-nuacion) y los robots con patas en forma de C, han cumplido con los objetivosmanteniendo el robot en todo momento en el centro de la cinta independientementede los cambios de velocidad que el propio robot sufra.

Debido al peso que tiene este robot, el propio control de la cinta ha aumentadoel aporte de corriente al motor durante las pruebas, ya que el valor mınimo de in-tensidad para comenzar el movimiento es muy superior al de los robots mas ligeroscomo el de patas en forma de C.

Entre las pruebas realizadas para este tipo de robots se incluye la superacion deobstaculos, que se iban colocando en la cinta a medida que el robot caminaba sobreella [24] https://www.youtube.com/watch?v=txg7NEWCTTs.

5.9.4. Robot con ruedas

Las pruebas realizadas con robot con ruedas se han hecho con el robot SummitXL, como se puede observar en la figura 5.11.


https://www.youtube.com/watch?v=txg7NEWCTTs

5.9. PRUEBAS REALIZADAS


Figura 5.11: Pruebas realizadas con robots con ruedas (Summit XL.)

La variacion de posicion que sufrıa este robot cuando se alcanzaba el regimenestacionario (cuando el robot durante un tiempo no cambiaba su velocidad), erasuperior al del resto de robots provocado por su peso (mas de 45 Kg) que obligabaa la cinta a superar una inercia de movimiento mayor que el del resto de robots.

Otro de los problemas que se ha tenido con este tipo de robots tan pesadoha sido como subirlo a la cinta, habrıa que contemplar, quizas como lınea futura, lacolocacion de unas rampas para que el robot suba por sı mismo al banco de pruebas.

5.9.5. Robot arana

Debido a que el movimiento de este robot es discreto y ayudado por su bajavelocidad de movimiento, hace que durante las pruebas el movimiento de la cintatambien sea discreto, arrancando cuando el robot (figura 5.12) se queda atrasadorespecto del centro y parando cuando este mas adelantada.



Figura 5.12: Pruebas realizadas con robot arana.

Este comportamiento discreto de la cinta esta provocado debido a que el robotque en este caso se prueba no es capaz de alcanzar el valor mınimo de movimientocontinuo de la cinta (0.2 km por ahora).

A pesar de todo esto el robot se mantenıa en la zona central de la cinta cum-pliendose ası el objetivo del banco de pruebas.


Capıtulo 6

Montaje

En este capıtulo se va a explicar como a partir de los materiales que se hanpedido y comprado a diversas empresas se ha construido el banco de pruebas.

6.1. Soldadura

En el apartado de soldadura se va a comentar porque ha sido necesario soldardeterminadas piezas y como se ha hecho. Puesto que las piezas que conforman lassujeciones de los elementos sobre el chasis, han sido realizadas mediante una tecnicallamada corte por laser, que proporciona piezas cortadas y taladradas con precision,pero todas ellas planas, ha sido necesario soldarlas para darlas el aspecto tridimen-sional deseado que se puede observar mas adelante

La tecnica que se ha empleado para la soldadura de las piezas de acero ha sidosoldadura por arco electrico, mediante electrodos revestidos de rutilo. En esta tecni-ca se emplea el calor del arco en el extremo del electrodo para fundir el materialde la pieza y a la vez fundir y aportar parte del electrodo. El rutilo que recubre loselectrodos (figura 6.1) se encarga de crear una atmosfera protectora para la zonaque se ha fundido, evitando ası, el deterioro durante su enfriamiento. Por otro ladoel nucleo de acero que se ve en la figura 6.1 es el que se encarga de realizar el aportede material.

77

CAPITULO 6. MONTAJE

Figura 6.1: Nucleo y recubrimiento en electrodos de rutilo.

Para este trabajo se ha empleado la maquina ESAB REBELTM EMP 215ic, conunos electrodos ESAB modelo OK de 2.5 mm. de diametro y 350 mm. de largo. Lamaquina se pueden observar en la figura 6.2.

Figura 6.2: Maquina de arco empleados en la soldadura.

Debido que las piezas son de un grosor superior en todas ellas a 3 mm. y al-canzando hasta 5 milımetros en alguna, es necesario realizar un bisel acorde a lasituacion como se observa en la figura 6.3, que permita que la soldadura penetre losuficiente en el material, y en caso de ser necesario un rectificado no se pierda lamayorıa del aporte realizado.


6.1. SOLDADURA

(a) Biseles para diferentes situaciones [20]. (b) Ejemplo de bisel en union en angulo.

Figura 6.3: Biseles necesarios para que penetre bien la soldadura en distintas situa-ciones.

Esta soldadura por arco no es especialmente sensible a la suciedad que tenganlas piezas, por esta razon, no ha sido necesaria una limpieza exhaustiva de ellas.

El aspecto que tienen las piezas segun han llegado de la empresa de corte porlaser ha sido el que se observa en la figura 6.4 donde se tiene un conjunto de piezascortadas y taladradas listas para ser soldadas.

Para proteger las piezas del oxido y la corrosion y mejorando su aspecto visual,se ha procedido a realizar un recubrimiento metalico de zinc mediante el procesoelectrolıtico, sumergiendo las piezas en un bano de zinc lıquido a 900 grados Celsius,consiguiendo el galvanizado que se puede observar en la figura 6.4.

Figura 6.4: Conjunto de piezas antes de ser soldadas.

El aspecto final que tiene este tipo de soldadura es abultado en forma de cordon,


CAPITULO 6. MONTAJE

por esta razon en las zonas donde la parte soldada tiene que enrasar con un perfilsera necesario un rectificado para dejarlo perfectamente alineado con las piezas encuestion.

Hay tres tipos de piezas que requieren de soldadura, las escuadras del tablerosobre el que apoya la banda de rodadura, el soporte del rodillo que hace la funcionde tensor y el soporte del tambor. A continuacion, se muestra el resultado de cadauna de ellas.

6.1.1. Escuadras

Estas escuadras estan formadas por dos piezas soldadas entre sı, poseen un huecofresado en lugar de unos taladros, para poder desplazar el tablero arriba y abajoconsiguiendo ası que la distancia banda-tablero sea mınima.

El aspecto que tiene esta despues de su union es el que se puede observar en lafigura 6.5.

Figura 6.5: Escuadra para la sujecion del tablero de la banda de rodadura.

6.1.2. Tensor y soporte del rodillo

Esta estructura permite por un lado sujetar el rodillo y por otro tensar y movereste para conseguir tensar la banda y equilibrarla.

Esta pieza esta formada por 5 piezas a su vez, 4 de chapa y una tuerca, todasellas soldadas como se puede observar en la figura 6.6.


6.2. SISTEMA SUJECION DE LA CAMARA DE MONITORIZACION.

Figura 6.6: Tensor y soporte del rodillo, antes y despues de su union.

6.1.3. Soporte del tambor

Este soporte para el tambor esta formado por dos piezas una de ellas rectangularcon 3 orificios para anclarla al perfil y colocar el rodamiento y un anillo externo paradarle soporte adicional este.

Ademas de esto que se puede observar en la figura 6.7, se tienen a ambos ladosunos prisioneros M4x5 para evitar que el rodamiento se mueva de su posicion.

Figura 6.7: Sistema de sujecion del tambor mediante rodamiento.

6.2. Sistema sujecion de la camara de monitori-

zacion.

El soporte empleado para la sujecion del soporte de la camara como se muestraen la figura 6.8 esta compuesto por dos piezas con forma de U, que abrazan por unlado el perfil de 45 mm. x 90 mm. y por el otro un perfil de 30 mm. x 30 mm., ambostienen sus respectivos agujeros de 8 mm. y 6 mm. para poder poner la tornillerıa y


CAPITULO 6. MONTAJE

las palomillas que lo fijen a dichos perfiles.

Figura 6.8: Soporte para el posicionamiento de la camara de grabacion.

Este soporte con un acabado en negro mate tiene la cualidad de ser regulable,para poderse adaptar con facilidad a todas las situaciones de grabacion que requierala prueba que se haga en cada momento.

6.3. Optitrack

El sistema de Optitrack formado por las 8 camaras, los dos switch y el modemque hace de enlace entre estas y el ordenador, ha sido montado en una sala mayori-tariamente diafana, para maximizar el espacio de trabajo.

Las camaras han sido colgadas del falso techo mediante una estructura modeladay fabricada mediante impresion 3D como se observar en la figura 6.9, estas piezashacen de intermediario entre las planchas que componen el techo y el mecanismo desujecion propio de la camara.


6.3. OPTITRACK

Figura 6.9: Pieza impresa 3D para la sujecion de las camaras al techo.

Puesto que las planchas del techo por sı solas no tienen resistencia suficientecomo para aguantar el soporte impreso en 3D mas la camara, ha sido necesariorealizar una plantilla para cada una de las camaras en contrachapado de 4 mm.,que hace que los tornillos pasantes de 5 mm. tengan un lugar rıgido sobre el queapretarse como se muestra en la figura 6.10.

Figura 6.10: Anclaje de cada camara a las planchas del techo.

Todo este sistema que se acaba de exponer tiene como resultado tener la camaraen el techo con la posibilidad de moverse en todas direcciones con comodidad. Laconexion de esta camara se realiza mediante cable de ethernet que van por encimadel falso techo, y una vez todo este instalado se tendra el resultado que se muestraen la figura 6.11.


CAPITULO 6. MONTAJE

Figura 6.11: Resultado del anclaje y conexion de cada camara.

6.4. Tipos de anclaje entre perfiles

A continuacion, se muestran los distintos tipos de tuercas, empleadas en el mon-taje de la estructura del banco de pruebas.

Tipo de Tuerca Caracterısticas Imagen

Tuerca en T con resorte Con muelle

Tuerca de tipo martillo Giro selectivo

Tuerca en T insertable por giro Bola y resorte

Tuerca de tipo ranura Seccion de ranura

Cuadro 6.1: Tabla con los distintos elementos de union con el perfil ranurado.

6.5. Tablero de la cinta

Este tablero que se puede observar en la figura 6.12 esta fabricado en un materialllamado MDF (fibras de densidad media), al que se le han realizado unos cajones


6.6. SETA DE SEGURIDAD

(figura 6.12) para que encajen a la perfeccion las escuadras que van al chasis (apar-tado 6.1.1 a)). Ademas de esto se le han realizado dos biseles a ambos lados quegaranticen que la cinta no se rasgue cuando este en movimiento (figura 6.12 b)).

(a) Cajones realizados para la escua-dra.

(b) Bisel para evitar danos en la banda.

Figura 6.12: Tablero de MDF de la cinta.

6.6. Seta de seguridad

Para garantizar que la seta de seguridad explicada en el apartado 3.8 satisfagalas necesidades del proyecto, ha sido necesario personalizarla utilizando la caja quemejor se adaptaba al fin que se perseguıa anadiendo tambien un escudo que muestresu funcion como se puede observar en la figura 6.13.


CAPITULO 6. MONTAJE

(a) Conjunto de elementos que forman la seta deseguridad.

(b) Aspecto final seta de segu-ridad.

Figura 6.13: Fabricacion a medida de la seta de seguridad.

El interruptor que se ha utilizado es, como cabrıa esperar, uno normalmente ce-rrado. Llegado el caso de ser utilizado como medida de seguridad se detenga todoel sistema presionando el boton.


Capıtulo 7

Planificacion temporal ypresupuestos

7.1. Planificacion temporal (Gantt)

Para poder distribuir de forma uniforme y eficiente los recursos de los que sedispone en este proyecto, se ha realizado un diagrama de Gantt.

Para garantizar un seguimiento claro de todo lo que se expone en dicho diagra-ma, se van a realizar unas especificaciones iniciales que enmarquen el conjunto.

El inicio de este TFM, tuvo lugar el 12 de abril de 2018, acto seguido de finalizarel tercer bimestre del curso lectivo y su finalizacion tuvo lugar el 20 de agosto de2018. Ese tiempo que aproximadamente es de 4 meses fue el recurso de tiempo sobreel que se realizaron todas las tareas en el diagrama que a continuacion se especıfica.

La duracion total que ha tenido el TFM durante esos 4 meses ha sido de 473horas, logrando ası una media de 6 horas diarias sin contar sabados y domingos.

Un credito ESCT, segun la pagina oficial de la Universidad, equivale a un nume-ro mınimo y maximo de horas de 25 y 30 respectivamente. Debido a que el TFMtiene 12 creditos, la duracion maxima que deberıa tener este serıa de 360 horas.Comparando este numero con las 473 horas que se han dedicado, se ha superado,dedicando 113 horas mas del maximo esperado.

A continuacion, se muestra el diagrama de Gantt realizado utilizando la herra-mienta de Microsoft llamada Excel.

87

CAPITULO 7. PLANIFICACION TEMPORAL Y PRESUPUESTOS


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LM

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JV

SD

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AG

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JULIO

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JV

SD

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XJ

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MX

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42

52

62

7

AG

OSTO

7.2. PRESUPUESTOS

7.2. Presupuestos

A continuacion, se va a mostrar el presupuesto que queda asociado a la creacioncompleta del banco de pruebas moviles de este proyecto.

Dentro de este presupuesto se van a detallar tres clases de recursos, que son: loshumanos, los materiales y los informaticos.

7.2.1. Recursos materiales

Dentro de este tipo de recursos se incluyen todos aquellos bienes con los quecuenta el propietario del proyecto, ya bien sean obtenidos como actividad a terceros,mediante pago, donaciones, etc.

Todos estos recursos se muestran a continuacion ordenados en un cuadro quemuestra la informacion referente a el concepto, unidades, el coste unitario y final-mente el coste total.

Recursos materialesConcepto Unidades Coste unitario (e) Coste total (e)

Chasis y barreras 1 230 230Tambor 1 59.25 59.25Rodillo 1 33.59 33.59Rodamientos 2 3.5 7Banda de rodadura 1 263 263Tornillerıa de anclaje 200 72.93 72.93Variador 1 6.49 6.49Motor 1 226.99 226.99Fuente de alimentacion 1 75.34 75.34Correas 2 12.50 25Poleas 2 12.60 25.20Taper 2 7.63 15.26Sistemas de anclaje 10 4.514 45.14Camara 1 55.99 55.99Sensores de barrera 2 13.99 27.98Setas de seguridad 2 18.74 37.48

Total 1456.64

Cuadro 7.1: Recursos materiales.

7.2.2. Recursos humanos

Estos recursos estan referidos al conjunto de participantes y colaboradores deltrabajo.



La administracion de dichos recursos ha sido vital para este proyecto ya que deno contar con una organizacion que se preocupe de la distribucion de las horas tra-bajadas habrıa sido imposible finalizar en las 473 horas especificadas en la seccion7.1.

El coste ha sido de 19.96 euros por cada hora trabajada, incluyendo SeguridadSocial, y estimando la evolucion salarial que tienen ciertos puestos debidos a la an-tiguedad disponibilidad y peligrosidad de forma orientativa, tomando datos del costemedio del sector industrial durante el primer trimestre de 2018 segun datos del INE[22].

Recursos humanosNombre Coste/horas (e/h) Horas Coste (e)

Jose Angel Lopez Belloso 19.96 473 9441.08Tutores 31.84 80 2547.2

Total (e) 11988.28

Cuadro 7.2: Recursos humanos.

7.2.3. Recursos informaticos

Dentro de estos recursos esta contabilizado el uso de aparatos y equipos in-formaticos durante el transcurso del proyecto.

La amortizacion de los equipos sera como norma general de 5 anos, no sea sindatos de la amortizacion sufrida por los equipos en el transcurso del proyecto.

Debido a que todos los software utilizados para el proyecto han sido proporcio-nados por la universidad, no han tenido coste alguno debido a licencias y por tantono figuraran como presupuesto, pero si como recurso.


7.2. PRESUPUESTOS

Recursos informaticos

Concepto UnidadesCoste

unitario (e)Amortizacion

( %)Coste

Total (e)Equipos:OrdenadorOrdenador de sobremesa 1 450 1.2 5.4Ordenador portatil 1 899 11 98.89

Software open source:Ros Indigo 1 0 0TexMaker 1 0 0Open Office 1 0 0Qt Creator 1 0 0

Software academico:Autodesk Inventor 1 0 0Microsoft Excel 1 0 0Xvigas 1 0 0Visual Studio 1 0 0

Total (e) 104.29

Cuadro 7.3: Recursos informaticos.

7.2.4. Costes totales del proyecto

Sı se suman todos los costes debidos a los recursos: humanos, materiales e in-formaticos, dan un subtotal de 13095,3 eque imponiendo el 21 % de IVA da un totalde 16394.54 ede coste total del proyecto.

Coste total del proyectoRecursos materiales 1456.64Recursos humanos 11988.28Recursos informaticos 104.29subtotal (e) 13549.21IVA (21 %) 2845.33

Total (e) 16394.54

Cuadro 7.4: Coste total del proyecto.


Capıtulo 8

Conclusiones y lıneas futuras.

8.1. Conclusiones.

Los metodos de locomocion desarrollados por los diferentes animales han permi-tido poblar toda la superficie del planeta, por tanto, el estudio e implementacion delos sistemas roboticos permite tambien desarrollar metodos de locomocion con losque se puede mejorar las capacidades actuales de movilidad que tienen los robots,hasta la fecha.

El desarrollo realizado en este trabajo fin de master, podrıa suponer una ampliaventaja a la hora de desarrollar robots para realizar labores de busqueda y rescate.Ademas, varios estudios de intervenciones de robots, que analizan robots terrestres,aereos y marıtimos, han llegado a la conclusion de que los terrestres son los que estanmenos capacitados para llevar a cabo este tipo de tareas con exito.Por lo tanto hayque avanzar en el desarrollo de tecnicas que consigan que los robots terrestres seancapaces de aportar mas eficacia a las tareas que realizan.

Como se ha hablado a lo largo de todo este trabajo, uno de los robots que masse esta investigando y desarrollando en el Grupo de Robotica y Cibernetica es aquelque tiene las patas en forma de C, capaz de avanzar por terrenos poco estructura-dos. Ademas de este robot, se encuentran muchos otros mencionados en el capıtulo 2(Estado del Arte) que tambien son capaces de realizar tareas de busqueda y rescatesiendo robots terrestres, como es el caso de robots basados en aranas o cualquierotro modelo bio-inspirado.

Por todo esto expuesto anteriormente se hace necesario el uso de bancos deprueba que validen y extraigan datos del funcionamiento de los robots antes deenfrentarse a las situaciones reales, ya bien sean utilizando un banco de pruebasmoviles para evaluar los modos de marcha y sistema de movimiento o bien un en-torno estructurado capaz de recrear los entornos a los que se va a enfrentar cuandodesarrolle tareas de busqueda y rescate durante una catastrofe.

Viendo la importancia actual de mejorar los sistemas de movimiento de estosrobots bio-inspirados con patas, ruedas u orugas, se demuestra la importancia del

97

CAPITULO 8. CONCLUSIONES Y LINEAS FUTURAS.

estudio y posterior construccion de un banco de pruebas moviles, abriendo nuevasvıas de investigacion, desarrollo, control y extraccion de datos de la movilidad quetienen los robots terrestres en general, y de busqueda y rescate en particular, paraalcanzar mejoras, que permitan en caso de catastrofe, salvar vidas.

Se ha podido ver que el sistema funciona para todos los tipos de robots que sehan probado, independientemente de cual sea su sistema de locomocion. El sistemapuede ir desde velocidades lentas (incluso llegando a movimiento discreto) hastavelocidades de mas de 4 kilometros por hora. Es por estas razones que el sistema seconsidera que tiene un gran rango de funcionamiento y versatilidad.

Todo esto se lleva a cabo conociendo (mediante la captacion de movimiento), lavelocidad que tiene el robot en todo momento, ası como su posicion a lo largo de lacinta y gracias a esto se logra no solo adecuar la velocidad de la cinta a la velocidaddel robot, sino que ademas, se consigue que el robot se mantenga en el centro de lacinta evitando los extremos, los cuales consideran zonas de peligro.

8.2. Lıneas futuras

Atendiendo al desarrollo que ha tenido este banco de pruebas, se han descubiertolıneas de investigacion y desarrollo para mejorar y ampliar el funcionamiento de dichobanco, de todas ellas se destacan las siguientes:

Una de las principales mejoras que se podrıan anadir para aumentar la segu-ridad es dotar al banco de pruebas de unos anclajes que suspendan al roboten el aire en caso de accidente.

Otra de las posibles mejoras para este sistema serıa ampliar el tamano de lacinta tanto en anchura como en longitud. En primer lugar, en anchura parapermitir que los robots mas grandes puedan realizar operaciones de giro. Ensegundo lugar, en longitud para que el sistema de control no sea tan brusco ala hora de responder a los movimientos del robot, si la zona de rodadura fueramas larga, el sistema de control podrıa ser mas suave y progresivo.

Por ultimo serıa muy util que la cinta pudiera moverse en las dos direccionespara poder probar modos de marcha alternos, ası como operaciones de giro ymedia vuelta de los robots.


Anexo 1 A

Planos

99

B ( 2:4 )C ( 2 : 4 )

B

C

11

22

33

44

55

66

AA

BB

CC

DD

Elementos conducidos ( Rodillo y Tam

bor)

0001RobCib

José Ángel López Belloso17/04/2018

1

Diseño de

Revisado por

Aprobado porFecha

1 / 1 Edición

Hoja

Fecha

1000,00

100,00

50,00

15,00

19,00

15,00

10,00

49,00

40,00

22,52

15,00

50,00 50,00

19,0010,00

100,00

50,0050,00

22,52

15,00

M10x1.5

15,00

11

22

33

44

55

66

AA

BB

CC

DD

Jose Angel10/05/2018

Diseño de

Revisado por

Aprobado porFecha

1 / 1 Edición

Hoja

Fecha

82,50

45,00

8,20 P asante

8 ,20 Pasante

10,0010,00

22,50

5,00

11

22

33

44

55

66

AA

BB

CC

DD

A2 x 4

Jose27/04/2018

Diseño de

Revisado por

Aprobado porFecha

1 / 1 Edición

Hoja

Fecha

3,00

45,00

10,00

25,00

30,00

5,20 Pasante

10,00 X 90,00°

5,20 Pasante

10,00 X 90,00°

11

22

33

44

55

66

AA

BB

CC

DD

Jose Angel02/05/2018

Diseño de

Revisado por

Aprobado porFecha

1 / 1 Edición

Hoja

Fecha

45,00

45,00

22,50

22,50

10,20 Pasante3,00

11

22

33

44

55

66

AA

BB

CC

DD

C1 x 2

Jose27/04/2018

Diseño de

Revisado por

Aprobado porFecha

1 / 1 Edición

Hoja

Fecha

32,00 Pasante

8,20 Pasante

8,20 Pasante

97,50

45,00

22,5050,00

25,00

5,00

5,00

11

22

33

44

55

66

AA

BB

CC

DD

Jose09/05/2018

Diseño de

Revisado por

Aprobado porFecha

1 / 1 Edición

Hoja

Fecha

45,00

32,00 -4,00 Profundidad

4,00

11

22

33

44

55

66

AA

BB

CC

DD

D1 x 4

Jose27/04/2018

Diseño de

Revisado por

Aprobado porFecha

1 / 1 Edición

Hoja

Fecha

34,50

50,00

3,00

11

22

33

44

55

66

AA

BB

CC

DD

D2 x 2

Jose27/04/2018

Diseño de

Revisado por

Aprobado porFecha

1 / 1 Edición

Hoja

Fecha

8,50 Pasante

34,50

45,00

3,00

10,00

22,50

11

22

33

44

55

66

AA

BB

CC

DD

D3 x 2

Jose27/04/2018

Diseño de

Revisado por

Aprobado porFecha

1 / 1 Edición

Hoja

Fecha

50,0081,00

45,00

19,00

8,20 Pasante8,20 Pasante8,20 Pasante

47,5025,00

37,5037,50

37,5037,50

25,00

10,20 Pasante

5,00

Anexo 2 A

Hojas de caracterısticas

109

L298

Jenuary 2000

DUAL FULL-BRIDGE DRIVER

Multiwatt15

ORDERING NUMBERS : L298N (Multiwatt Vert.) L298HN (Multiwatt Horiz.)

L298P (PowerSO20)

BLOCK DIAGRAM

OPERATING SUPPLY VOLTAGE UP TO 46 VTOTAL DC CURRENT UP TO 4 A LOW SATURATION VOLTAGEOVERTEMPERATURE PROTECTIONLOGICAL "0" INPUT VOLTAGE UP TO 1.5 V(HIGH NOISE IMMUNITY)

DESCRIPTION

The L298 is an integrated monolithic circuit in a 15-lead Multiwatt and PowerSO20 packages. It is ahigh voltage, high current dual full-bridge driver de-signed to accept standard TTL logic levels and driveinductive loads such as relays, solenoids, DC andstepping motors. Two enable inputs are provided toenable or disable the device independently of the in-put signals. The emitters of the lower transistors ofeach bridge are connected together and the corre-sponding external terminal can be used for the con-

nection of an external sensing resistor. An additionalsupply input is provided so that the logic works at alower voltage.

PowerSO20

®

1/13

Anexo 3 A

Codigo

A.1. Arduino

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : Codigo arduino// Desc r ipc ion : A t rave s de e s t e codigo y e l paquete de ROS ( r o s s e r i a l )

se r e a l i z a l a t ra s f o rmac ion de l PID a l PWM de l motor y secont ro lan todos l o s s i temas de segur idad .

// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/

#inc lude <ro s . h>#inc lude <std msgs / Float64 . h>#inc lude <std msgs / Int32 . h>#inc lude <L298N . h>

#d e f i n e EN 9#d e f i n e IN1 8#d e f i n e IN2 7

#d e f i n e FRONT SENSOR A0#d e f i n e BACK SENSOR A1

#d e f i n e ROBOT WIDTH 100#d e f i n e CONVEYOR BELT WIDTH 100

L298N motor (EN, IN1 , IN2 ) ;

std msgs : : Int32 pwm;std msgs : : Int32 stop ;

ro s : : NodeHandle nh ;

ro s : : Subscr iber<std msgs : : Float64> sub1 ( ”/ c o n s i g v e l ” , s e rvo cb ) ;ro s : : Subscr iber<std msgs : : Int32> sub2 ( ”/consigna pwm” , sub pwm) ;ro s : : Pub l i she r Publ icador ( ”/pwm” , &pwm) ;ro s : : Pub l i she r Parada ( ”/ emergencystop ” , &stop ) ;

i n t cons igna motor ; // cons igna para sumar a l pwm

113

ANEXO 3 A. CODIGO

(0−255)i n t pwm motor = 120 ; //pwm para meter a l motor en e l

i n s t a n t e ac tua li n t pwm anterior ; // pwm de l motor en e l i n s t a n t e

a n t e r i o ri n t consigna pwm = 1 ; // anado un va lo r i n i c i a l a l va l o r que

voy a coger de l s u b s c r i b e ri n t p o s e a n t e r i o r ;

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : void sub pwm( const std msgs : : Int32& dato )// Desc r ipc ion : Recibe l o s datos de l t o p i c ”/ consigna pwm” y l o s pasa a

una v a r i a l b e llamada consigna pwm .// Valor devue l to : N/A// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void sub pwm( const std msgs : : Int32& dato ){

consigna pwm = dato . data ;}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : void se rvo cb ( const std msgs : : Float64& cmd msg )// Desc r ipc ion : Recibe l o s datos de l t o p i c ”/ c o n s i g v e l ” y l o s

tras forma para adaptarse tanto a l a zona como a l incremento dep o s i c i o n .

// Valor devue l to : N/A// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void s e rvo cb ( const std msgs : : Float64& cmd msg ){

i n t p o s e a c t u a l = cmd msg . data ;

i f ( p o s e a c t u a l < −10) // zona negat ivai f ( p o s e a c t u a l > p o s e a n t e r i o r ) // ade lante

pwm motor = pwm motor + consigna pwm + 1 ; //hac ia ade lante

e l s ei f ( p o s e a c t u a l > −15)// a t r a s

pwm motor = (pwm motor )−(consigna pwm )−(1) ;

e l s epwm motor = (pwm motor )−(consigna pwm ∗

2) − (3 ) ; // hac ia a t r a se l s e // zona p o s i t i v a

i f ( p o s e a c t u a l > p o s e a n t e r i o r ) //ADELANTEi f ( p o s e a c t u a l < 0)

pwm motor = (pwm motor )+(consigna pwm )+(5) ;

e l s epwm motor = (pwm motor )+(consigna pwm ∗

2) + (7) ;e l s e //ATRAS

pwm motor = pwm motor − consigna pwm + 1 ; //hac ia a t r a s


A.1. ARDUINO

pwm motor = (pwm motor < 0) ? (0 ) : ( ( pwm motor > 255) ? (255): (pwm motor ) ) ;

i f ( parada emergencia ( ) ){

pwm motor = 0 ;stop = 1 ;Parada . pub l i sh (&stop ) ;

}

motor . forward ( ) ;motor . setSpeed (pwm motor ) ;

p o s e a n t e r i o r = p o s e a c t u a l ;}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : bool parada emergencia ( )// Desc r ipc ion : S i r e c i b e l a s ena l de que una de l a s ba r r e r a s l a t e r a l e s

se ha act ivado , pub l i ca un 1 en e l t o p i c ”/ emergencystop ” y as ignae l va l o r de 0 a l PWM para detener e l proceso .

// Valor devue l to : Valor buleano true ( parada de emergencia ) y f a l s e (cont inua e l proceso )

// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/bool parada emergencia ( ){

f l o a t v o l t = analogRead (FRONT SENSOR) ∗ 5 / 1024 ;f l o a t d i s t anc e = 13 / v o l t s ;i f ( d i s t ance > (CONVEYOR BELT WIDTH − ROBOT WIDTH) )

return true ;

v o l t = analogRead (ROBOT WIDTH) ∗ 5 / 1024 ;d i s t anc e = 13 / v o l t s ;i f ( d i s t ance > (CONVEYOR BELT WIDTH − ROBOT WIDTH) )

return true ;

r e turn f a l s e ;}

void setup ( ){

nh . in i tNode ( ) ;motor . setSpeed (0 ) ;nh . a d v e r t i s e ( Publ icador ) ;nh . a d v e r t i s e ( Parada ) ;nh . s ub s c r i b e ( sub1 ) ;nh . s ub s c r i b e ( sub2 ) ;

}

void loop ( ){

pwm. data = pwm motor ;Publ icador . pub l i sh (&pwm) ;de lay (100) ;nh . spinOnce ( ) ;


ANEXO 3 A. CODIGO

}

A.2. Control cinta

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : Control de l a c i n t a// Desc r ipc ion : A t rave s de e s t e codigo se r e c o p i l a l a in formac ion

proven iente de l opt i t rack , y se tras forma y adapta para tener e lPID que mantiene a l robot en todo momneto en e l cent ro de l a c i n t aindependientemente de sus cambios de ve loc idad .

// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/

#inc lude ” ros / ro s . h”#inc lude ” std msgs / St r ing . h”#inc lude <sstream>#inc lude ” geometry msgs /PoseStamped . h”#inc lude ” std msgs / Float64 . h”#inc lude ” std msgs /Header . h”

us ing namespace std ;

const double PI = 3 .141592653 ;double e r r o r o l d = 0 ; // I n i c i a l i z a c i o n de l e r r o r ant iguo a 0 .

f l o a t dt = 3 ; // va l o r i n c i a l v a r i a c i o n de tiempo .

ro s : : Pub l i she r Publ icador1 ;ro s : : Pub l i she r Publ icador2 ;geometry msgs : : PoseStamped p o s e c i n t a ;geometry msgs : : PoseStamped pose robot ;ro s : : Time o ld t ime ;ro s : : Time l a s t t i m e ;

// Estructura de l cua t e rn i os t r u c t cua t e rn i o {

double x ;double y ;double z ;double w;

} ;

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : double PID( double r e f e r e n c i a , double d i f e r e n c i a , double &

e r r o r o l d )// Desc r ipc ion : Rebide e l va l o r de r e f e r e n c i a que se qu i e r e a l canza r

para e l PID ( que l a d i s t a n c i a ent re e l cent ro de l a c i n t a y e lrobot sea 0) y l a d i s t a n c i a ent re e l robot y e l dentro de l a c i n t a .

// Valor devue l to : s a l i d a v e l ( va l o r optenido para l a p o s i c i o ns i g u i e n t e de l PID)

// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/double PID( double r e f e r e n c i a , double d i f e r e n c i a , double & e r r o r o l d ) {


A.2. CONTROL CINTA

double Ki = 0 . 5 ;double Kd = 0 . 1 ;double Kp = 50 ;double max = 100 ;double min = −100;double i n t e g r a l = 0 ;

// Error nuevo : r e f e r e n c i a (0 ) menos l a d i f e r e n c i a de l a sp o s i c i o n e s

double e r r o r = r e f e r e n c i a − d i f e r e n c i a ;

// Termino propor c i ona ldouble Pout = Kp ∗ e r r o r ;

// Termino i n t e g r a li n t e g r a l += e r r o r ∗ dt ;double Iout = Ki ∗ i n t e g r a l ;

// termino d e r i v a t i v odouble d e r i v a t i v e = ( e r r o r − e r r o r o l d ) / dt ;double Dout = Kd ∗ d e r i v a t i v e ;

// Consigna de ve l oc idad de s a l i d a de l PIDdouble s a l i d a v e l = Pout + Iout + Dout ;double s a l i d a v e l = Pout ;

// R e s t r i c c i o n e s de va lo r maximo y minimo de s a l i d ai f ( s a l i d a v e l > max)

s a l i d a v e l = max ;e l s e i f ( s a l i d a v e l < min )

s a l i d a v e l = min ;

// Guardar e l e r r o r ant iguo .e r r o r o l d = e r r o r ;r e turn s a l i d a v e l ;

}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : void a n g u l o e u l e r ( cua t e rn i o q , double & r o l l , double & pitch

, double & yaw)// Desc r ipc ion : Rebide e l l a s cuatro coordenadas c o r r e s po n d i e n t e s a l o s

angulos en cuatern io , y l o s t ras forma en l o s t r e s angulos de e u l e r: r o l l , p i t ch y yaw .

// Valor devue l to : N/A// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void a n g u l o e u l e r ( cua t e rn i o q , double & r o l l , double & pitch , double &

yaw) {// r o l l (x−a x i s r o t a t i o n )double s i n r o l l = +2.0 ∗ ( q .w ∗ q . x + q . y ∗ q . z ) ;double c o s r o l l = +1.0 − 2 .0 ∗ ( q . x ∗ q . x + q . y ∗ q . y ) ;r o l l = ( atan2 ( s i n r o l l , c o s r o l l ) ) ∗ −1; //∗ −1 va l o r por

d e f e c t o ! !

// p i t ch (y−a x i s r o t a t i o n )


ANEXO 3 A. CODIGO

double s i n p i t c h = +2.0 ∗ ( q .w ∗ q . y − q . z ∗ q . x ) ;i f ( f abs ( s i n p i t c h ) >= 1)

p i t ch = copys ign ( PI / 2 , s i n p i t c h ) ;e l s e

p i t ch = as in ( s i n p i t c h ) ;

// yaw ( z−a x i s r o t a t i o n )double s in yaw = +2.0 ∗ ( q .w ∗ q . z + q . x ∗ q . y ) ;double cos yaw = +1.0 − 2 .0 ∗ ( q . y ∗ q . y + q . z ∗ q . z ) ;yaw = atan2 ( sin yaw , cos yaw ) ;

}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : void c a l l b a c k c i n t a ( const geometry msgs : : PoseStamped : :

ConstPtr & msg)// Desc r ipc ion : Recibe l o s datos de l t o p i c ”/ v r p n c l i e n t n o d e / c i n t a /

pose ” y l o s pasa a una v a r i a l b e llamada p o s e c i n t a .// Valor devue l to : N/A// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void c a l l b a c k c i n t a ( const geometry msgs : : PoseStamped : : ConstPtr & msg) {

p o s e c i n t a = ∗msg ;// p o s i c i o n de l a c i n ta v a r i a b l e g l o b a l ( p o s e c i n t a ) .// f i n c a l l b a c k

}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : void c a l l b a c k r o b o t ( const geometry msgs : : PoseStamped : :

ConstPtr & msg)// Desc r ipc ion : Recibe l o s datos de l t o p i c ”/ v r p n c l i e n t n o d e / robot /

pose ” imprime por pan t a l l a l a in formac ion r e l e v a n t e ademas del lamar a l a func ion que c a l c u l a e l PID , y a l a func ion que devuelve

e l tiempo ent re i t e r a c i o n e s .// Valor devue l to : N/A// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void c a l l b a c k r o b o t ( const geometry msgs : : PoseStamped : : ConstPtr & msg) {

double zPos r ;double zPos ;double r o l l , p itch , yaw ;s t r u c t cua t e rn i o q ;double tiempo ;zPos r = msg−>pose . p o s i t i o n . z ;// zPos = msg−>pose . p o s i t i o n . z ;

tiempo = msg−>header . seq ;a n g u l o e u l e r (q , r o l l , p itch , yaw) ;

p r i n t f ( ” the p o s i t i o n value o f X i s %l f m and %l f cm \n ” ,zPos r , p o s e c i n t a . pose . p o s i t i o n . z ) ;

double d i f e r e n c i a = zPos r − p o s e c i n t a . pose . p o s i t i o n . z ;double r e f e r e n c i a = 0 ;


A.3. ESCRITOR DE DATOS

l a s t t i m e = ros : : Time : : now ( ) ; // empiezo a contar e l tiempo

double s a l i d a v e l = PID( r e f e r e n c i a , d i f e r e n c i a , e r r o r o l d ) ;// c a l c u l o e l PID

ros : : Duration ( 0 . 1 ) . s l e e p ( ) ; // espero 3 segundos ent r emuestras

o ld t ime = ros : : Time : : now ( ) ; // cuento e l tiemporos : : Duration d i f f = o ld t ime − l a s t t i m e ; // r e s t o l o s

tiempos

// tras formo e l tiempo d i f f de t i po durac ion en un f l o a t .i n t s ec = d i f f . s e c ;i n t nano sec = d i f f . nsec ;dt = ( nano sec ∗ pow(10 , −9) ) + sec ;p r i n t f ( ”\nRefresh time : %3.10 f \n” , dt ) ;

p r i n t f ( ” o f f s e t : % 7 .10 f speed out: % 7.10 f \n\n” , d i f e r e n c i a ,s a l i d a v e l ) ;

d i f e r e n c i a += s a l i d a v e l ;std msgs : : Float64 c o n s i g n a v e l ;// c o n s i g n a v e l . data = d i f e r e n c i a ;c o n s i g n a v e l . data = s a l i d a v e l ;

// Publ icador de cons igna .Publ icador1 . pub l i sh ( c o n s i g n a v e l ) ;Publ icador2 . pub l i sh ( d i f e r e n c i a ) ;

}

i n t main ( i n t argc , char ∗ ∗ argv ) {ro s : : i n i t ( argc , argv , ” nodo c inta ” ) ;//nodo c i n t aro s : : NodeHandle n ;

Publ icador1 = n . a d v e r t i s e < std msgs : : Float64 >(”/ c o n s i g v e l ” ,1000) ; // pub l i cador

Publ icador2 = n . a d v e r t i s e < std msgs : : Float64 >(”/ d i f p o s e ” ,1000) ; // pub l i cador

ro s : : Subsc r ibe r sub c in ta = n . s u b s c r i b e ( ”/ v r p n c l i e n t n o d e /c i n t a / pose ” , 1 , c a l l b a c k c i n t a ) ; // S u s c r i p t o r c i n t a

ro s : : Subsc r ibe r sub robot = n . su b s c r i b e ( ”/ v r p n c l i e n t n o d e /robot / pose ” , 1 , c a l l b a c k r o b o t ) ; // S u s c r i p t o r robot

ro s : : Rate l o o p r a t e (10) ;ro s : : sp in ( ) ;r e turn 0 ;

}

A.3. Escritor de datos

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : E s c r i t o r de datos// Desc r ipc ion : A t rave s de e s t e codigo se r e c o p i l a l a s v e l o c i d a d e s

tanto de l robot como de l a c i n t a y se almacenan convenientemente enun f i c h e r o . txt para su tratamiento p o s t e r i o r .


ANEXO 3 A. CODIGO

// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/#inc lude ” ros / ro s . h”#inc lude ” std msgs / St r ing . h”#inc lude <std msgs / Int32 . h>#inc lude ” std msgs / Float64 . h”

#inc lude <iostream>#inc lude <fstream>

us ing namespace std ;// us ing namespace ros ;

o f stream f i c h e r o S a l i d a ;

i n t v e l o c i d ad r o bo t = 0 ;i n t v e l o c i d a d c i n t a = 0 ;f l o a t D i f e r e n c i a c e n t r o r o b o t = 0 ;

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : void c i n t a ( const std msgs : : Int32& dato )// Desc r ipc ion : Recibe l o s datos de l t o p i c ”/pwm” y l o s pasa a una

v a r i a l b e llamada v e l o c i d a d c i n t a .// Valor devue l to : N/A// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void c i n t a ( const std msgs : : Int32& dato ){

v e l o c i d a d c i n t a = dato . data ;}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : void robot ( const std msgs : : Int32& dato )// Desc r ipc ion : Recibe l o s datos de l t o p i c ”/ v e l r o b o t ” y l o s pasa a

una v a r i a l b e llamada v e l o c i da d r o bo t .// Valor devue l to : N/A// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void robot ( const std msgs : : Int32& dato ){

v e l o c i d ad r o bo t = dato . data ;}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : void d i f e r e n c i a ( const std msgs : : Float64& dato )// Desc r ipc ion : Recibe l o s datos de l t o p i c ”/ d i f p o s e ” y l o s pasa a una

v a r i a l b e llamada D i f e r e n c i a c e n t r o r o b o t .// Valor devue l to : N/A// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void d i f e r e n c i a ( const std msgs : : Float64& dato ){

D i f e r e n c i a c e n t r o r o b o t = dato . data ;


A.3. ESCRITOR DE DATOS

}

/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/// Nombre : void e s c r i b i r ( i n t v e l c i n t a , i n t v e l r o b o t )// Desc r ipc ion : Recibe l o s datos l a s v a r i a b l e s v e l c i n t a , v e l r o b o t y

d i f p o s e y l o e s c r i b e en un f i c h e r o .// Valor devue l to : N/A// Autor : Jose Angel Lopez Be l l o s o/∗ ∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗JALB∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗/void e s c r i b i r ( i n t v e l c i n t a , i n t ve l r obot , f l o a t d i f p o s e ){

// ofstream f i c h e r o S a l i d a ;f i c h e r o S a l i d a . open ( ”/home/oem/ c inta ws / s r c / e s c r i t o r t x t / s r c /

datos . txt ” , i o s : : app ) ;f i c h e r o S a l i d a << v e l r o b o t << ”\ t ” << v e l c i n t a << ”\ t ” <<

d i f p o s e << endl ;f i c h e r o S a l i d a . c l o s e ( ) ;

}

i n t main ( i n t argc , char ∗∗ argv ){

ro s : : i n i t ( argc , argv , ” e s c r i t o r t x t ” ) ;ro s : : NodeHandle nh ;

p r i n t f ( ” v e l c i n t a %d v e l r o b o t %d \n” , v e l o c i d a d c i n t a ,v e l o c i da d r o bo t ) ;

e s c r i b i r ( v e l o c i d a d c i n t a , ve l oc idad robot ,D i f e r e n c i a c e n t r o r o b o t ) ;

ro s : : Subsc r ibe r sub1 = nh . su b s c r i b e ( ”/pwm” , 1 , c i n t a ) ;ro s : : Subsc r ibe r sub2 = nh . su b s c r i b e ( ”/ v e l r o b o t ” , 1 , robot ) ;ro s : : Subsc r ibe r sub3 = nh . su b s c r i b e ( ”/ d i f p o s e ” , 1 , d i f e r e n c i a )

;

whi l e ( ro s : : ok ( ) ){

p r i n t f ( ” v e l c i n t a %d v e l r o b o t %d \n” ,v e l o c i d a d c i n t a , v e l o c i d a d r o bo t ) ;

e s c r i b i r ( v e l o c i d a d c i n t a , v e l o c i d a d r o bo t ) ;ro s : : Duration ( 0 . 1 ) . s l e e p ( ) ;ro s : : spinOnce ( ) ;

}

ROS INFO( ” Cier ro arch ivo ” ) ;f i c h e r o S a l i d a . c l o s e ( ) ;r e turn 0 ;

}


ANEXO 3 A. CODIGO


Bibliografıa

[1] Aguado, B. F., Castano, J. A., Parque, C., Boecillo, D., Casanova,E. Z., Garcıa-bermejo, J. G., and Paseo, E. Diseno Y Simulacion DeUn Filtro Kalman Para Un Robot Movil. 6.

[2] Altendorfer, R., Moore, N., Komsuoglu, H., Buehler, M., Brown,H. B., Mcmordie, D., Saranli, U., Full, R., and Koditschek, D. E.RHex: A biologically inspired hexapod runner. Autonomous Robots 11, 3 (2001),207–213.

[3] Alvares, J. Maquina de corriente continua. 260–282.

[4] Apesar, N. MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA.

[5] Application, F., Data, P., Examiner, P., and Ro, B. L S - D J ETI.

[6] Ariana, I., and Vazquez, M. Maestrıa en Tecnologıa Avanzada.

[7] Bruijckere, J. D., Smit, R., and Valk, L. R. Zebro Light: LightweightMobile Hexapod Robot Design Report. 2–3.

[8] Carlos, J., and Ramos, B. MODOS DE MARCHA PARA UN.

[9] Casper, J., and Murphy, R. R. Human-robot interactions during the robot-assisted urban search and rescue response at the World Trade Center. IEEETransactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics 33, 3(2003), 367–385.

[10] Davids, A. Urban Search and Rescue Robots: From Tragedy to Technology.IEEE Intelligent Systems 17, 2 (2002), 81–83.

[11] del Carmen, A. R. A. Control de un Robot Hexapodo Autonomo inspiradoen el modo de marcha del escarabajo histeriade implementando vision artificial,2013.

[12] DR Robot. Dr Robot Inc.: WiFi 802.11 robot, Network-based Robot, robotic,robot kit, humanoid robot, OEM solution.

[13] Erle-Spider. Erle-Spider — Erle Robotics Docs.

[14] Feng, S. Full Body Control for the Atlas robot. 2010 IEEE InternationalConference on Robotics and Automation (2014), 3733–3738.

123

BIBLIOGRAFIA

[15] Fernandez, J. F., and Barrientos, T. A. Analisis , desarrollo y evaluacionde modos de marcha para un robot hexapodo.

[16] Forero, D. Y., Mora, P. A., Loaiza, J. L., and Hernandez, R. D.Analisis para la simulacion de modelos animales tipo hexapodo. 54–62.

[17] Galloway, K., Haynes, G., Ilhan, B. D., Johnson, A., Knopf, R.,Lynch, G., Plotnick, B., White, M., and Koditschek, D. X-RHex:A Highly Mobile Hexapedal Robot for Sensorimotor Tasks. Technical Reports(ESE), November (2010), 35.

[18] Gantt, H. L., and Gantt, H. L. Work, wages, and profits. Hive Pub. Co,1974.

[19] Garcia, L. C., Vargas, L., Zuniga, L., Instituto, D., and Nacional,P. TRIGONOMETRIA DEL CUADRADO Y COORDENADAS POLARES:“Estudio de la trigonometrıa definida desde un cuadrado y graficas polares apartir de esta”.

[20] Grupmav. Preparacion de bordes en la soldadura (1/2) - GRUPMAV SCP.

[21] Harbers, M., de Greeff, J., Kruijff-Korbayova, I., Neerincx,M. A., and Hindriks, K. V. Exploring the ethical landscape of robot-assistedSearch and Rescue. Intelligent Systems, Control and Automation: Science andEngineering 84 (2017), 93–107.

[22] INE. Tabla11219.

[23] Jimenez-Gonzalez, A., Dios, J. R. M. D., De San Bernabe, A.,Nunez, G., and Ollero, A. Un banco de pruebas remoto para experi-mentacion en robotica ubicua. RIAI - Revista Iberoamericana de Automatica eInformatica Industrial 11, 1 (2014), 68–79.

[24] Jose Angel Lopez Belloso. Banco de pruebas automatico para robots condistintos modos de marcha y velocidades.

[25] Joseph Fabricio Vergel Becerra, J. E. M. F. REMALLADOISOTROPICO ADAPTATIVO POR CURVATURA LOCAL EN RECONS-TRUCCIONES TRIDIMENSIONALES DE ESTRUCTURAS OSEAS PARAAPLICACIONES EN CIENCIAS FORENSES. Bistua 15, 1 (2017), 73–88.

[26] Kim, S., Laschi, C., and Trimmer, B. Soft robotics: A bioinspired evolutionin robotics. Trends in Biotechnology 31, 5 (2013), 287–294.

[27] Le, J. D., and Cruz, A. B. Definicion y analisis de los modos de marcha deun robot hexapodo para tareas de Busqueda y Rescate. UPM (2015).

[28] Lifschitz, L. Mecanica, ed. revert ed. 1991.

[29] Mente y Cerebro. Inteligencia emocional. Mente y Cerebro (2006).


BIBLIOGRAFIA

[30] Nelson, G., Saunders, A., Neville, N., Swilling, B., Bondaryk, J.,Billings, D., Lee, C., Playter, R., and Raibert, M. PETMAN: AHumanoid Robot for Testing Chemical Protective Clothing. Journal of theRobotics Society of Japan 30, 4 (2012), 372–377.

[31] Oviedo, M. A. G. Estrategias Bio-Inspiradas para Locomoci{{}{o}{}}n deRobots {{}{A}{}}podos.

[32] Park, H. W., Park, S., and Kim, S. Variable-speed quadrupedal boundingusing impulse planning: Untethered high-speed 3D Running of MIT Cheetah2. Proceedings - IEEE International Conference on Robotics and Automation2015-June, June (2015), 5163–5170.

[33] Paul Bovbel. vrpn client ros - ROS Wiki, 2017.

[34] Portelo Sendra, F., and Martinez, M. Radiacion Infrarroja. 1–6.

[35] Robotics, E. ROS Introduction ES — Erle Robotics, 2018.

[36] Robotnik. Robot movil SUMMIT XL HL — Robotnik.

[37] Santos, P. G. D., Armada, M., Garcıa, E., Akinfiev, T., No, J.,Prieto, M., Nabulsi, S., Ponticelli, R., Sarria, J., Reviejo, J., Ra-mos, C. S. A., Campo, C., Km, R., and Rey, A. Desarrollo de robotscaminantes y escaladores en el IAI-CSIC. 1–13.

[38] Schneider, A., Paskarbeit, J., Schilling, M., and Schmitz, J. HEC-TOR, a bio-inspired and compliant hexapod robot. Lecture Notes in ComputerScience (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and LectureNotes in Bioinformatics) 8608 LNAI (2014), 427–429.

[39] Schoch, R. R. Front Matter. Amphibian Evolution (2014), i–xi.

[40] Sequeira, A. Biologically Inspired Robots into a New Dimension- A Review.

[41] Shao, L., Guo, B., Wang, Y., and Chen, X. An Overview on Theory andImplementation of Snake- Like Robots. Proceedings of 2015 IEEE InternationalConference on Mechatronics and Automation (2015), 70–75.

[42] Silva Ortigoza, R., Garcıa Sanchez, J. R., Barrientos Sotelo,V. R., Molina, M. A., Hernandez Guzman, V. M., and Silva Or-tigoza, G. State of the art of the movable wheels robots. Telematique 6(2007), 14.

[43] Velazquez, C. Cual pajaros al viento. 1–13.

[44] Vicon. ¿Que es la captura de movimiento? — VICON, 2018.


trabajo fin de m aster: banco de pruebas instrumentado...

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