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Tesis:

Contribución al modelado y control de robots paralelos accionados por cables flexibles

  • Autor: CARPIO ALEMÁN, Marco Alexander

  • Título: Contribución al modelado y control de robots paralelos accionados por cables flexibles

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73137/

  • Director/a 1º: SALTAREN PAZMIÑO, Roque Jacinto

  • Resumen: El continuo desarrollo industrial y los avances tecnológicos han impulsado el crecimiento en la automatización de procesos industriales, mediante la utilización de robots. Los robots desarrollados para la industria se caracterizan por disponer de una amplia flexibilidad en su programación y adaptación, su elección está sujeta a las necesidades que demandan los procesos industriales a ser automatizados. Fundamentalmente, por estas razones es necesario contribuir con nuevos estudios e investigaciones de los robots industriales, así como realizar una búsqueda exhaustiva de mejores propuestas para su utilización. Entre los diversos campos modernos de la robótica, se encuentran estudios referentes a los robots paralelos actuados por cables, denominados CDPRs (Cable Driven Parallel Robot), mismos que presentan importantes ventajas que les distinguen de otros robots industriales como son: seriales y paralelos tradicionales; cuyas características sobresalientes están relacionadas con el amplio espacio de trabajo y el bajo coste de implementación. Es importante destacar que, de manera complementaria a los esfuerzos realizados por la industria para el desarrollo de la automatización de procesos de producción mediante la integración de robots, los centros educativos y de investigación tienen un rol protagónico en la formación de profesionales en temas de la robótica, lo que implica mantener una permanente actualización de herramientas y equipos utilizados para la enseñanza y la investigación. Por lo antes mencionado, el presente trabajo de tesis tiene como finalidad contribuir en el campo de los CDPRs, a través del análisis, el modelamiento y la construcción de un robot paralelo planar de cuatro cables. El robot construido será utilizado para la enseñanza y la investigación de temáticas relacionadas con la robótica industrial en la Universidad Politécnica Salesiana del Ecuador (UPS). Otros aspectos importantes abordados en este trabajo de investigación corresponden a las simulaciones y experimentaciones con el robot. Estas fueron desarrolladas a través de un esquema de control, que viabilice el entendimiento de los conceptos de robots por cables. Ha sido posible desarrollar experimentaciones preliminares de control en el espacio articular del robot, dado que se tiene dispuestos sensores (codificadores) embebidos en los motores utilizados como actuadores y de manera complementaria, se pudo también desarrollar pruebas de control en el espacio de la tarea del robot, mediante la utilización de un sensor de posición y orientación que fue adaptado en el efector final (EF). Las experimentaciones realizadas permitieron evaluar características específicas de: los bloques planificadores de trayectorias, el sistema de control (PID y PID-Difuso) y las respuestas de seguimiento a rutas periódicas de tipo senoidales, que han sido planteadas de manera hipotética con fines de verificar resultados de desempeño. Los resultados obtenidos en las investigaciones que involucraron simulaciones y experimentaciones permitieron aportar al campo de investigación de robots por cables, mediante la publicación de artículos académicos, en donde nueve corresponden a congresos internacionales y cuatro a revistas científicas indexadas. El trabajo de tesis inició con un enfoque técnico para la construcción de un CDPR planar. Sin embargo, se ha visto necesario analizar nuevas aplicaciones potenciales que puedan tener este tipo de robots. En este sentido, fue estudiada y simulada una alternativa de transporte de insumos, a través de las fachadas de los edificios de centros de salud, con la intención de propender a reducir la propagación de virus y enfermedades altamente contagiosas, debido al contacto o cercanía entre personas. Su implementación podría resultar económica y rápida en comparación con la utilización de otros tipos de robots como pueden ser: seriales o humanoides, para efectuar tareas similares. Además, se destaca que el robot puede cubrir una amplia área de trabajo y sus dimensiones podrían escalarse fácilmente, mediante el redimensionamiento de la longitud de los cables del robot. La propuesta de transporte de suministros incluye un proceso de desinfección interno en el efector final que se desarrolla durante el movimiento del robot, eliminando el tiempo adicional requerido para dicho proceso, en caso de requerir ser efectuado de forma tradicional por personal de la salud. La utilización del robot reducirá en buena medida el riesgo de contagio entre las personas que participan en el proceso de intercambio de insumos, debido a que se elimina la necesidad del contacto o cercanía entre ellos, al mismo tiempo, el tráfico por escaleras o pasillos del personal que habitualmente transporta y dota de insumos a los destinatarios, se reduciría o en el mejor de los casos se eliminaría. Finalmente, de manera complementaria al trabajo de investigación desarrollado, se realizó el análisis y las simulaciones correspondientes de una propuesta técnica de incorporación de impulsores controlados en el efector final, que constituyen un concepto de robot hibrido, el mismo que permita mejorar la estabilidad del efector final, que podría ser afectado por la acción de perturbaciones ortogonales al plano de trabajo de los CDPRs planares. Posteriormente es ampliado el análisis del robot hibrido para distintas configuraciones que implican el tener que inclinar el robot, de esta manera queda abierta una nueva brecha para la posterior profundización en la investigación y la experimentación en este tema. ABSTRACT Continuous industrial development and technological advances have driven growth in the automation of industrial processes, using robots. The robots developed for the industry are characterized by having a wide flexibility in their programming and adaptation, their choice is subject to the needs demanded by the industrial processes to be automated. Fundamentally, for these reasons it is necessary to contribute with new studies and research on industrial robots, as well as to carry out an exhaustive search for the best proposals for their use. Among the various modern fields of robotics, there are studies referring to parallel robots actuated by cables, called CDPRs (Cable Driven Parallel Robot), which have important advantages that distinguish them from other industrial robots such as: traditional serial and parallel; whose outstanding characteristics are related to the wide workspace and the low cost of implementation. It is important to highlight that, in a complementary way to the efforts made by the industry for the development of the automation of production processes through the integration of robots, educational and research centers have a leading role in the training of professionals in robotics themes, which implies maintaining a permanent updating of tools and equipment used for teaching and research. Due to the aforementioned, the purpose of this thesis work is to contribute to the field of CDPRs, through the analysis, modelling and construction of a four-wire planar parallel robot. The built robot will be used for teaching and research on topics related to industrial robotics at the Universidad Politécnica Salesiana (UPS). Other important aspects addressed in this research work correspond to the simulations and experimentations with the robot. These were developed through a control scheme, that facilitates the understanding of the concepts of robots by cables. It has been possible to develop preliminary control experiments in the joint space of the robot, given that there are sensors (encoders) embedded in the motors used as actuators and in a complementary manner, it was also possible to develop control tests in the space of the robot's task, by using a position and orientation sensor that was adapted in the end effector (EF). The experiments carried out made it possible to evaluate specific characteristics of the trajectory planner blocks, the control system (PID and PID-Fuzzy) and the follow-up responses to periodic sinusoidal paths, which have been raised hypothetically for the purpose of verifying performance results. The results obtained in the investigations that involved simulations and experimentations allowed to contribute to the field of research of robots by cables, through the publication of academic articles, where nine correspond to international congresses and four to indexed scientific journals. The thesis work began with a technical approach for the construction of a planar CDPR. However, it has been necessary to analyse new potential applications that this type of robot may have. In this sense, an alternative for transporting supplies was studied and simulated, through the facades of hospital buildings, with the intention of tending to reduce the spread of viruses and highly contagious diseases, due to contact or proximity between people. Its implementation could be cheap and fast compared to the use of other types of robots such as: serial or humanoid, to perform similar tasks. In addition, it is highlighted that the robot can cover a wide work area and its dimensions could be easily scaled, by resizing the length of the robot cables. The supply transportation proposal includes an internal disinfection process in the end effector that takes place during the movement of the robot, eliminating the additional time required for said process, in case it needs to be carried out in a traditional way by health personnel. The use of the robot will greatly reduce the risk of contagion among the people who participate in the process of exchanging supplies, since the need for contact or proximity between them is eliminated, at the same time, the traffic by stairs or corridors of the staff that usually transports and provides supplies to the recipients, would be reduced or, in the best of cases, eliminated. Finally, in a complementary way to the developed research work, the analysis, and the corresponding simulations of a technical proposal for the incorporation of controlled thrusters in the final effector, which constitute a hybrid robot concept, were carried out, the same one that allows improving the stability of the effector. end, which could be affected by the action of perturbations orthogonal to the working plane of the planar CDPRs. Subsequently, the analysis of the hybrid robot is expanded for different configurations that imply having to tilt the robot, in this way a new gap is opened for further investigation and experimentation on this topic.