indice

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"Tesis*-*Sintesis" — 2009/4/14 — 16:22 — page 1 — #1 i i

ESTUDIO, DISEÑO Y

CONSTRUCCIÓN DE UNA

PATA PARA UN ROBOT

CUADRÚPEDO

ESCALADOR

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA

SALESIANA

SEDE CUENCA

FACULTAD DE INGENIERÍAS

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

"ESTUDIO, DISEÑO Y CONSTRUCCI ÓN DE UNA PATA PARA UN ROBOT

CUADR ÚPEDO ESCALADOR"

Tesis previa a la obtención del

título de Ingeniero Electrónico

Autores:

Boris Antonio Galán Auquilla.

Diego Esteban Guillén López.

Diego Fernando Tello Crespo.

Director: Ing. Eduardo Calle Ortiz.

Cuenca - Ecuador

2009

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Índice general

Contenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Índice de figuras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Índice de tablas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv

1. Robots Escaladores.

1.1. Introducción a la Robótica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1.1. Antecedentes Históricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1.2. Definición y Clasificación del Robot. . . . . . . . . . . . .

1.2. Robots escaladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1

1

7

9

9

1.2.2. Propiedades de los robots escaladores. . . . . . . . . . . . . 11

1.2.3. Tipos de estructuras en robots escaladores . . . . . . . . . . . . 12

1.2.4. Robots escaladores con patas en configuración SCARA. . . . . . . . 21

1.3. Proyecto ARTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2. Diseño de un Robot para el mantenimiento y limpieza de edificios

(REMLED II). 29

2.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2. Diseño funcional y análisis matemático del sistema. . . . . . . . . . . . 30

2.2.1. Diseño funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.2. Diseño Mecánico Inicial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.3. Análisis de movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2.4. Parámetros generales obtenidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.2.5. Análisis Cinemático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.2.6. Generación de Trayectorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.3. Modelo Dinámico del Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.3.1. Implementación del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

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ii ´ INDICE GENERAL

2.4. Análisis de la Resistencia del Material . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.5. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.5.1. Motor DC 404 682 Valeo . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.5.2. Mini Actuador Lineal DC FA MS 15-12-4 . . . . . . . . . 58

2.6. Diseño Mecánico final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.6.1. Parámetros generales obtenidos. . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.7. Diseño del sistema de control electrónico. . . . . . . . . . . . . 68

2.7.1. Dispositivos físicos utilizados para el control de los motores . . 68

2.7.2. Dispositivo de seguridad de los motores . . . . . . . . . . . 71

2.7.3. Diseño de los controladores. . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.7.4. Arquitectura Física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.7.5. Arquitectura lógica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

2.8. Sistema central de procesamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3. CONSTRUCCI ÓN DEL ROBOT REMLED II 91

3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.2. Construcción de los componentes mecánicos . . . . . . . . . . . . . 91

3.2.1. Proceso de fundición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.2.2. Piezas de acoplamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.2.3. Mecanismo de adherencia al vidrio. . . . . . . . . . . . . . 99

3.2.4. Corrección de fallas y pintado . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.3. Ensamblaje de los componentes del robot . . . . . . . . . . . . . . 104

4. Sensores Virtuales 107

4.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.2. Redes neuronales . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 107

4.2.1. Conceptos básicos de redes Neuronales . . . . . . . . . . . . 109

4.2.2. Arquitectura de una red de neuronas . . . . . . . . . . . . 111

4.2.3. Algoritmos de aprendizaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.2.4. Algoritmo de retro-propagación del error. . . . . . . . . . . 116

4.3. Aplicaciones de los sensores virtuales. . . . . . . . . . . . . . . 117

4.3.1. Desarrollos característicos de sensores virtuales . . . . . . . . 118

4.4. Implementación de un sensor virtual de vacío en la ventosa de la pata del

robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

4.4.1. Sistema de activación de la ventosa . . . . . . . . . . . . . 123

4.4.2. Adquisición de datos para la red neuronal . . . . . . . . . . 124

4.4.3. Red neuronal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.4.4. Prueba de la red neuronal

5. Resultados Experimentales.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

133

5.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5.2. Análisis técnico de funcionamiento de la pata del robot. . . . . . . . 133

5.3. Movimiento de la pata durante una trayectoria recta en el plano cartesiano.136

5.4. Consideraciones de Seguridad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5.4.1. Consideraciones en Cableado. . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

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´ INDICE GENERAL

iii

5.4.2. Consideraciones en la Distribución de las Tarjetas. . . . . . . 139

5.4.3. Consideraciones Mecánicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5.4.4. Consideraciones para el entorno. . . . . . . . . . . . . . . 141

6. Resumen, Conclusiones y Recomendaciones.

A. TARJETA DE CONTROL DE LA PATA

143

147

A.1. MASTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 149

A.2. ESCLAVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

A.3. MOTOR LINEAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

A.4. COMUNICACI ÓN SERIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

A.5. UBICACI ÓN DE LOS ELEMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . 153

A.6. LISTA DE MATERIALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

B. TARJETA DE CONTROL DE LA VENTOSA 155 B.1. UBICACI ÓN DE LOS ELEMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . 157

B.2. LISTA DE MATERIALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

C. TARJETA DE ALIMENTACI ÓN 159 C.1. UBICACI ÓN DE LOS ELEMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . 161

C.2. LISTA DE MATERIALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 161

Bibliografía. 162

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Índice de figuras

1.1. La Clepsidra, un reloj que funcionaba mediante el flujo del agua. . . . . .

1.2. El Pato de Vaucanson. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3. Los muñecos de Vauncansos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4. Inventor Joseph Marie Jacquard, máquina que permitía fabricar telas con

hilos de distintos colores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Primer robot

con accionamiento eléctrico: IRb6 ASEA (1973). . . . . . . .

1.6. Robot Sojourner Rover. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

1.7. Robots industriales de todo el mundo: instalados y cambiados. . . . . . .

1.8. Robots de Servicio para uso Profesional y Privado. . . . . . . . . . . . . .

2

3

3

4

6

6

7

8

1.9. SILO 6. La figura muestra un robot para deteccion de minas antipersona. 10

1.10. Ninja I. La figura muestra al Ninja I adherido a un edificio. . . . . . . . 12

1.11. Transferencia de superficies ortogonales. La figura muestra como el

Ninja I adopta diferentes posiciones en las aristas de un cuarto. . . . . . . 13

1.12. Ninja II. La figura muestra al Ninja II que presenta una estructura arti-

culada respecto a su antecesor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.13. REST II. La figura muestra al REST II, que presenta una estructura

mas pequeña y liviana que el REST I. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.14. Roboclimber. La figura muestra al robot sobre una pared rocosa reali-

zando una perforación sobre ésta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.15. Sky Cleaner I. La figura muestra los elementos que conforman este robot. 16

1.16. Sky Cleaner II. La figura muestra realizando la tarea de limpieza sobre

un edifico de cristal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.17. Sky Cleaner III. La figura muestra la estructura mecánica y los elementos

que lo conforman. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.18. Sky Cleaner IV. La figura muestra el sistema de adherencia. . . . . . . 18

1.19. Robot Araña. La figura muestra los elementos que componen la pata de

este robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

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vi ´ INDICE DE FIGURAS

1.20. Robot Lemur. La figura muestra al robot sobre una superficie vertical

rocosa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.21. Robot Tito 500. La figura muestra al robot limpiando un edificio. 20

1.22. SCARA. La figura muestra los grados de libertad de un brazo robótico

en configuración scara. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.23. Robot escalador con patas tipo Scara. La figura muestra el área de

trabajo de una pata del robot cuadrúpedo. . . . . . . . . 22

1.24. Robot REST. La figura muestra un robot cuyas patas tienen configura-

ción Scara. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.25. Pie del robot REST. La figura muestra los electroimanes que conforman

la pata del robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.26. Obras arquitectónicas. La figura muestra la riqueza de la arquitectura

ecuatoriana en iglesias y otros edificios importantes[47] [8] [9]. 25

1.27. Edificios Modernos. La figura muestra dos edificios de nuestro país que

presentan estructuras verticales junto con atractivas fachadas de vidrio.[17]

[7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.28. Mantenimiento externo para fachadas de edificios. La figura mues-

tra como se realiza el mantenimiento y limpieza de las fachadas en los

edificios modernos. Esto provoca falta de seguridad, pérdida de tiempo y

calidad.[49] [29] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.1. Robot SCARA de ensamblaje de la empresa HIRATA AMERICA. 29

2.2. Actuador de eje de revolución. . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3. Actuador de eje lineal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.4. Ventosa VERIBOR de procedencia Alemana. (a)Ventosa completa

con tres platos (b)La ventosa separa antes de ser modificada (c)Diseño

final de la ventosa realizado en Inventor 9 . . . . . . . . . 32

2.5. Prueba de una ventosa. (a)Ventosa con 15kg de peso. (b)Deformación

producida de la ventosa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.6. Vista frontal del diseño funcional de la pata . . . . . . . . . 36

2.7. Vista general del diseño funcional del robot. . . . . . . . . . . 36

2.8. Altura del cuerpo con respecto al piso. a)Altura mínima. b) Altura

máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.9. Altura de paso máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.10. Cinemática Directa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.11. Cinemática Inversa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.12. Trayectoria cúbica. a)Perfil de la trayectoria polinomial cúbica. (b)Velocidad

para una función cúbica que inicia y termina con velocidad cero . 43

2.13. Modelo realizado en SimMechanics. . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.14. Programa para generar trayectorias de las articulaciones de una pata. 45

2.15. Trayectoria de la pata cuando inicia con el maximo torque. . . . . 46

2.16. Trayectoria y torque de la primera y segunda articulación, cuando

se tiene el máximo momento generado en el eje de la primera articulación 46

2.17. Trayectoria generada a lo largo del eje y en sentido contrario a la gravedad. 47

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ÍNDICE DE FIGURAS

2.18. Trayectoria y torque generado por las articulaciones rotacionales cuando

vii

el desplazamiento es a lo largo del eje y en dirección de la gravedad. 48

2.19. Trayectoria generada a lo largo del eje y en el mismo sentido de la gravedad. 48


el desplazamiento es a lo largo del eje y en dirección de la gravedad. 49

2.21. Trayectoria desde la posición de inicialización hasta el punto x = 0mm,

y = 330mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49


el desplazamiento es desde la posición de inicialización hacia el punto x =

0mm, y = 330mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.23. Gráfica de la deformación en función del esfuerzo aplicado a un material.

2.24. Gráfica de las propiedades físicas del material en relación al módulo de

51

elasticidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.25. Ensayo de Resistecia Mecánica, realizado a una probeta de aluminio

fundido en el laboratorio de Ingeniería Mecánica de la UPS . . . . . . . 53

2.26. Gráfica de la deformación del material y resultados del Ensayo de Resis-

tecia Mecánica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.27. Gráfica del análisis de Resistencia Mecánica (Stress) realizado al eslabón

1 de REMLED II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.28. Gráfica del análisis de Factor de seguridad realizado al eslabón 1 de REM-

LED II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.29. Gráfica del análisis de deformación realizado al eslabón 1 de REMLED II. 56

2.30. Motor DC 404 682 Valeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.31. Sistema de engranes reductores y tornillo sin fin con autobloqueo del motor

404 682 Valeo. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.32. Mini Actuador Lineal DC FA MS 15-12-4. . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.33. Estructura interna del Mini Actuador Lineal DC FA MS 15-12-4. . . . . . 59

2.34. Vista Frontal del robot al momento de escalar una superficie de vidrio. . . 63

2.35. Vista panorámica del diseño geométrico final del robot REMLED II. . . . 63

2.36. Vista frontal del diseño final de la pata. . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.37. Volumen de trabajo de la pata del robot en el plano x - y. . . . . . . . 66

2.38. Volumen de trabajo de la pata del robot en 3D. . . . . . . . . . . . . . 66

2.39. Altura del cuerpo del robot con respecto al piso. a)Altura mínima.

b)Altura máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.40. Altura de paso máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.41. Altura de paso de funcionamiento. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 68

2.42. Curvas motor rotacional. En la figura se muestra las graficas de velo-

cidad, intensidad y rendimiento del motor valeo 404.682. . . . . . . . . . . 69

2.43. Curvas motor lineal. En la figura se muestra las graficas de carga que

puede levantar el motor versus corriente y velocidad del motor lineal FA-

MS-15-12-4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.44. Funcionamiento del codificador. En la figura se muestra como un co-

dificador adquiere las señales mediante el sistema mecánico con el sistema

electrónico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

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viii INDICE DE FIGURAS

2.45. Señales del codificador. En la figura se muestra las ondas generadas

por el codificador, su desfase de 90 o, y como se obtienen 4 pulsos en un

ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.46. Codificador E4P. En la figura se muestra las características eléctricas y

mecánicas del codificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.47. Sensor de corriente ACS714. En la figura se muestra el encapsulado

del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.48. Diagrama de bloques para el control del motor de corriente con-

tinua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.49. Circuito eléctrico equivalente del motor cc. . . . . . . . . . . . . . . 72

2.50. Señal de alimentación del motor de cc. . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

2.51. Datos obtenidos de velocidad convertida en valores de voltaje de

la primera articulación y curva del modelo estimado. . . . . . . . 74

2.52. Arquitectura física de la pata. En la figura se como estan distribuidos

los elementos físicos en la pata. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

2.53. Tarjeta Master. En la figura se muestra la placa de control que maneja

las dos articulaciones rotacionales y la una articulación lineal; con la vista

frontal y posterior, y dimensiones de la tarjeta. . . . . . . . . . . . . . . . 81

2.54. Tarjeta Potencia. En la figura se muestra la placa que maneja dos mo-

tores de c.c. con la vista frontal y posterior, y dimensiones de la tarjeta. . 81

2.55. Tarjeta Ventosa. En la figura se muestra la vista frontal y posterior, y

dimensiones de la tarjeta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

2.56. Arquitectura lógica . En la figura se muestra las tareas y funciones que

ejecuta cada microcontrolador de las articulaciones . . . . . . . . . . . . . 83

2.57. Diagrama de flujo del master . En la figura se muestra como está es-

tructurado el programa del master. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

2.58. Protocolo para comunicarse entre el computador y el master. En

la figura se muestra los pasos que se deben seguir para mandar datos entre

el master y la computadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

2.59. Diagrama de flujo del antebrazo. En la figura se muestra como está es-

tructurado el programa del antebrazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.60. Protocolo para comunicarse entre el computador y el antebrazo.

En la figura se muestra los pasos que se deben seguir para mandar da-

tos entre el la computadora y la articulación del antebrazo. En este caso

interviene el master. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

2.61. Diagrama de flujo de la ventosa. En la figura se muestra como está es-

tructurado el programa de la ventosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.62. Protocolo para comunicarse entre el computador y la ventosa.

En la figura se muestra los pasos que se deben seguir para mandar datos

entre el la computadora y la ventosa. En este caso interviene el master. . 89

2.63. Pantalla para el manejo manual de la pata del REMLED II. . . . 90

2.64. Pantalla para el manejo manual de la pata del REMLED II. . . . 90

3.1. Huellas de arena. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 94

3.2. Aluminio fundido aplicado a la matriz de arena. . . . . . . . . . . . . . . . 94

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ÍNDICE DE FIGURAS ix

3.3. Maquinado de la pieza fundida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.4. Varillas y pernos de acero inoxidable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.5. Sistema de transmisión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.6. Eje de siete puntas acoplado al motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.7. Ventosa mecánica reacondicionada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.8. Sistema mecánico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.9. Sistema de engranaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.10. Piñón. La figura muestra las dos ruedas dentadas que forman el piñón del

sistema de engranaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.11. Mecanismo de adherencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.12. Piezas de aluminio masilladas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.13. Piezas de aluminio fondeadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.14. Acoplamiento de las patas del robot al cuerpo. . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.1. Forma general de una neurona. En la figura se muestra la composición

de la neurona humana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

4.2. Neurona artificial genérica. En la figura se muestra como se representa

una neurona matemáticamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

4.3. Red multicapa de flujo directo (feed-forward ). . . . . . . . . . . . . 113

4.4. Red de flujo directo con líneas de retardo a la entrada. . . . . . . 114

4.5. Clasificación de la redes neuronales. En la figura se muestra los tipos

de redes neuronales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.6. Tipos de Aprendizaje. En la figura se muestra la clasificación de las

redes neuronales segun el tipo de aprendizaje . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.7. Fusión sensorial para la concentración de biomasa. En la figura se

muestra un ejemplo de sensor virtual para las concentraciones de biomasa

presentes en procesos de fermentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.8. Módulo de monitorización de sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . 120

4.9. Ventosa mecánica y neumática. La figura muestra la diferencia entre

los sistemas de activación para lograr el vacío entre los dos tipos de ventosa. 123

4.10. Sistema mecánico de activación de la ventosa. La figura muestra el

sistema de engranes incorporado al motor para subir o bajar el pistón de

la ventosa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.11. Maqueta utilizada para adquisición de datos. La figura muestra

como se digitalizo el valor de vació del sensor de aguja mediante una

cámara web. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.12. Diagrama de la adquisición de datos. La figura muestra las variables

que intervienen en el sensor virtual y la forma en que son adquiridas. . . . 125

4.13. Esquema en bloques del sensor virtual de vacío. La figura muestra

la forma en que la red neuronal obtiene los datos para su entrenamiento

y funcionamiento para estimar el vacío. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.14. Red Neuronal implementada en el Microcontrolador. La figura

muestra como esta la arquitectura de la red neuronal de retro propagación. 126

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x ÍNDICE DE FIGURAS

4.15. Graficas de las entradas y salida de la red neuronal. La figura

muestra los datos que ingresaron en la red neuronal y el valor de vacío que

ésta estima respecto al valor de la cámara. . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.16. Error acumulado. La figura muestra la resta de la señal de la red neu-

ronal y la señal del sensor de vacío de aguja. . . . . . . . . . . . . 128

4.17. SSE. La figura muestra un ejemplo de la suma de desviaciones cuadradas

respecto a la recta de mínimos cuadrados. . . . . . . . . . . . . . . . 129

4.18. Error cuadrático. La figura muestra el error acumulado en cada punto

de la señal elevado al cuadrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4.19. Cálculo de la varianza. La figura muestra cuanto varia la señal de la

red neuronal respecto a la señal de la cámara. . . . . . . . . . . . . 130

4.20. SST. La figura muestra un ejemplo de la suma de desviaciones cuadradas

respecto a la recta horizontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

4.21. Calculo de R-Cuadrado. La figura muestra cuan precisa es la red neu-

ronal respecto a la señal original, mientras mas cerca este el valor de 1,

mejor es la estimación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.1. Diagrama del análisis de funcionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . 134

5.2. Inicialización de la primera articulación. (a) Gira hasta chocar el

primer eslabón con el cuerpo. (b) Cambia el sentido de giro y recorre la

cantidad de pulsos enviada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5.3. Inicialización de la segunda articulación. (a) Gira hasta chocar el

segundo con el primer eslabón. (b) Cambia el sentido de giro y recorre la

cantidad de pulsos enviada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.4. Inicialización de la articulación lineal. (a) Eslabón lineal en una po-

sición desconocida (b) Eslabón lineal ubicado en la posición de inicialización.135

5.5. Trayectoria calculada y seguida por la 1 a articulación. . . . . . . . . 136

5.6. Trayectoria calculada y seguida por la 2 a articulación. . . . . . . . . 137

5.7. Acoplamiento de un marcador a la parte posterior de la pata respecto al

centro de la ventosa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137

5.8. Movimiento en el plano cartesiano del punto P 1

(178mm, 166mm)

al punto P 2

(0mm, 330mm) (a) Punto donde inicia la trayectoria. (b) Trayectoria esperada, generada y punto donde termina la trayectoria. . . 138

5.9. Movimiento en el plano cartesiano del punto P 1

(0mm, 130mm) al

punto P 2

(0mm, 330mm) (a) Punto donde inicia la trayectoria. (b) Tra- yectoria esperada, generada y punto donde termina la trayectoria. . . 138

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Índice de tablas

2.1. Diseño funcional de los elementos que constituyen el robot. . . . . . 35

2.2. Análisis de movimiento de las articulaciones de REMLED II. . . . . . 37

2.3. Características del motor 404 682 Valeo . . . . . . . . . . . . . . 58

2.4. Características del Mini Actuador Lineal DC FA MS 15-12-4. . . . . 59

2.5. Diseño funcional y diseño final de los elementos mecánicos del robot. . 62

2.6. Análisis de movimiento de las articulaciones del diseño final de REMLED

II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.1. Diseño geométrico y moldes para la construcción de piezas en aluminio

fundido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.2. Piezas de aluminio fundido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.3. Piezas de aluminio luego del proceso de maquinado y ajuste geométrico 97

3.4. Acoplamiento de las partes que conforman el robot. . . . . . . . . . 105

4.1. Funciones de activación de las redes neuronales. En la tabla se

muestra las diferentes funciones de activación que se pueden colocar en

una neurona para definir su comportamiento . . . . . . . . . . . . . 112

5.1. Tipos de cables, su aplicación y principales características. . . . . . . . 140

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Dedicatoria

Dedico este trabajo a mis padres ya que gracias a su apoyo he aprendido a no dejarme vencer por las

adversidades hasta conseguir mis metas. Ellos que con su esfuerzo siempre han buscado un mejor

futuro para mí y mis hermanos.

A mis hermanos por la compañía y el apoyo que me brindan, se que cuento con ellos

siempre.

A mi familia por su profundo cariño y confianza a lo largo de ésta importante etapa de mi

vida.

Una dedicatoria especial a mi hermosa enamorada Ana Katherine Flores, una mujer

maravillosa, inteligente, sincera y luchadora. Por compartir mis sueños, por ser mi fortaleza, por

entregarme su amor, su respeto y su confianza.

Boris Antonio Galán Auquilla

En la vida existen retos que debemos asumirlos con entrega y valor, esta tesis fue uno de esos

desafíos que nos ha dejado muchas enseñanzas y lecciones de vida; dedico todo mi trabajo y

esfuerzo a mi familia que supo apoyarme, entenderme y estar allí incluso en los momentos de

mayor desaliento, brindándome siempre con su ejemplo de trabajo, honestidad y amor la fortaleza

suficiente para brindar lo mejor de mí. Y a Carla Samaniego quien supo escucharme,

comprenderme y brindarme su apoyo para conseguir mi meta tan deseada.


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A Dios, fuente de amor, por darme la fortaleza para seguir adelante frente a las

dificultades y la capacidad para poder haber llevado a cabo esta tarea.

A mi querida esposa, Fernanda Albuja, por su amor, paciencia, comprensión y

motivación, sin lo que hubiese sido imposible lograr terminar esta tesis.

A mi adorado hijo, Diego Eduardo, motor de vida, a quien siempre cuidare y protegeré.

A mis padres, Rolando y Martha por haberme guiado en el camino de la vida y por su

amor que aun no acabo de entender.

A mis hermanos, amigos inseparables, por darme su apoyo incondicional y estar siempre

conmigo.

Diego Fernando Tello Crespo.

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Introducción.

Desde el principio de los tiempos los seres humanos se han empeñado en crear seres

artificiales que realicen tareas repetitivas, pesadas o difíciles, que comúnmente se desarrollaban

manualmente con complejos sistemas, incitando así a crear máquinas autónomas, capaces de

realizar algunas tareas realizadas por el hombre.

El proyecto ARTE (Acondicionamiento y Restauración Tele-operada de Edificios)

mediante el uso de robots autónomos, se viene desarrollando hace algunos años en la

Universidad Politécnica Salesiana.

En su fase inicial realizo la creación de un Robot Escalador para el Mantenimiento y

Limpieza de Edificios, REMLED I, éste comprendía un robot caminante omnidireccional,

capaz de desplazarse en superficies horizontales. La siguiente fase de este proyecto

comprende el diseño y construcción de una pata para el desarrollo del REMLED II, que

constituye un robot cuadrúpedo omnidireccional, capaz de desplazarse en superficies lisas (vidrio)

de forma vertical. Este robot a futuro permitirá realizar mayores estudios tales como:

diversos tipos de locomoción, sistemas de adherencia más eficaces, el desarrollo de un adecuado

sistema de limpieza, entre otros.

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El proyecto también implementa la aplicación de las redes neuronales para desarrollar un sensor

virtual. Los sensores virtuales es una forma eficiente y económica de estimar una medida,

de un sensor físico que no se puede implementar de manera directa en un sistema.

Boris Antonio Galán Auquilla.


Diego Fernando Tello Crespo

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Agradecimientos

Agradecemos al Mst. Eduardo Calle Ortiz, por la excelente dirección de este trabajo, por la

confianza depositada en nosotros, por el apoyo incondicional en todo momento, por su dedicación

a la revisión de este trabajo, su paciencia y su valiosa ayuda durante la elaboración del mismo.

No solo como director sino como un verdadero amigo.

Nuestro agradecimiento al Mst. Walter Orozco, profesor de la Universidad Politécnica Salesiana por

el apoyo brindado en el diseño del control de la pata del robot.

Agradecemos al Ing. Paúl Álvarez, por su colaboración en el análisis del material que se utilizo en

la construcción de la pata del robot.

Agradecemos al Tnlg. Luis Sánchez por su apoyo en el diseño mecánico y construcción de las piezas

del robot.

Nuestros más sinceros agradecimientos al Dr. Luciano Bellini F., sdb., Rector de la

Universidad Politécnica Salesiana del Ecuador, al Eco. Luis Tobar Vicerrector de la Universidad

Politécnica Salesiana del Ecuador Sede Matriz Cuenca, al Ing. Vinicio Ordóñez, por la confianza

depositada en nosotros, y por haber financiado el desarrollo del proyecto.

A todos los familiares y amigos por el apoyo brindado para la realización de este proyecto.

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