REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO

MAESTRÍA EN INGENIERIA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS

ROBOT QUILÓPODO PARA TRANSPORTE DE CARGA EN ZONAS DE DIFICIL ACCESO.

Trabajo presentado como requisito para optar al grado de Magíster en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos.

Autor: Ing. José A. Montero

C.I: 12.802.990

Tutor: M.sc. Luis Montiel.

C.I: 10.440.295

Maracaibo, Noviembre de 2012

ROBOT QUILÓPODO PARA TRANSPORTE DE CARGA EN ZONAS DE DIFICIL ACCESO.

iii

DEDICATORIA

A Dios por abrirme caminos llenos de oportunidades para poder crecer

profesionalmente, ayudando a los demás de manera honesta y

desinteresada.

A mis padres por educarme en un hogar donde los valores son una fortaleza.

Ellos con su ejemplo me han enseñado a lograr mis metas a través del

esfuerzo propio.

A mis hijos a quienes he demostrado mi afecto incondicional y me

comprometen a continuar alcanzando metas en la vida que les sirva a ellos

como ejemplo para valorar lo que anhelen y se propongan.

A mi esposa quien en todo momento me ha apoyado desinteresadamente,

ha sido la palabra de estímulo cuando me sentí desanimado, la chispa que

me ha recargado de energía cuando pensé que no podía continuar.

A todos los docentes, tutores, amigos y compañeros de trabajo que me

orientaron con sus sabios consejos y me ofrecieron materiales, su tiempo y

dedicación a los largo del desarrollo de esta investigación.

A todos los investigadores de la robótica del mundo, por sus aportes y

experiencias que han servido de inspiración para poder llevar a cabo este

proyecto.

iv

AGRADECIMIENTO

A Dios, mi Señor, por darme la vida y todas las oportunidades que he tenido

en la misma, acompañándome en mí camino día a día.

A mis padres, quienes han dedicado su vida a mis hermanas y a mí, por todo

lo que sacrifican por mi cada día de mi vida. Espero que puedan sentirse

orgullosos de mí.

A la URBE por ser mi casa de estudio.

A todos los profesores de metodología por orientarme en el proceso de una

investigación.

A mi amigo, Carlos, quien de una u otra manera fue parte de todo este

proyecto, y fue apoyo incondicional para mí en todo momento.

v

INDICE GENERAL

VEREDICTO. ....................................................................................... iii

DEDICATORIA. ................................................................................... iv

AGRADECIMIENTO. ........................................................................... v

INDICE GENERAL. .............................................................................. vi

INDICE DE FIGURAS. ......................................................................... ix

INDICE DE TABLAS. ........................................................................... xi

INDICE DE ANEXO ............................................................................. xii

RESUMEN. .......................................................................................... xiii

ABSTRACT. ......................................................................................... xiv

INTRODUCCIÓN. ................................................................................ 1

CAPITULOS I. EL PROBLEMA

1. Planteamiento del Problema. ................................................ 3

2. Formulación del Problema. .................................................... 5

3. Objetivos de la Investigación. ................................................ 6

4. Justificación de la Investigación. ........................................... 6

5. Delimitación de la Investigación. ........................................... 8

II. MARCO TEORICO

2.1. Antecedentes...................................................................... 10

2.2. Bases Teóricas. .................................................................. 15

2.2.1. Edafología ................................................................... 15

2.2.2. Granulometría ............................................................. 15

vi

2.2.3. Fitogeografía ............................................................... 16

2.2.4. Suelos. ........................................................................ 17

2.2.5. Clasificación de los suelos .......................................... 17

2.2.6. Zonas fitogeografías de Venezuela ............................. 18

2.2.7. Quilópodo .................................................................... 21

2.2.8. Robot ........................................................................... 22

2.2.9. Clasificación de los robots ........................................... 23

2.2.9.1. Clasificación atendiendo a la Generación ............ 23

2.2.9.2. Clasificación atendiendo al Área de Aplicación .... 24

2.2.9.3. Clasificación atendiendo al tipo de actuadores .... 24

2.2.9.4. Clasificación atendiendo al número de ejes ......... 25

2.2.9.5. Clasificación atendiendo a la configuración ......... 26

2.2.9.6. Clasificación atendiendo al tipo de control ........... 26

2.2.10. Morfología de un robot .............................................. 27

2.2.11. Estructura mecánica de un robot............................... 28

2.2.12. Actuadores ................................................................ 30

2.2.13. Actuadores neumáticos ............................................. 31

2.2.14. Actuadores hidráulicos .............................................. 33

2.2.15. Actuadores eléctricos ................................................ 35

2.2.15.1. Motores de corriente continua ............................ 35

2.2.15.2. Motores de corriente alterna .............................. 37

2.2.15.3. Motores paso a paso .......................................... 39

2.2.16. Servo Motor. .............................................................. 42

2.3. Sistemas de Variables. ....................................................... 42

2.3.1.- Robot Quilópodo ........................................................ 42

2.4. Definición de Términos. ..................................................... 43

2.4.1. Articulación. ................................................................. 43

2.4.2. Blender ........................................................................ 44

2.4.3. Matlab ......................................................................... 44

2.4.4. Mplab .......................................................................... 44

vii

2.4.5. Proteus ........................................................................ 45

2.4.6. Simulador .................................................................... 46

2.4.8. Torque ......................................................................... 45

III. MARCO METODOLOGICO

3.1. Tipo de Investigación. ......................................................... 47

3.2. Diseño de La Investigación................................................. 49

3.3. Población y Muestra ........................................................... 49

3.4. Procedimientos. .................................................................. 50

IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION

4.1. Resultado de la Investigación. ............................................ 53

4.2. Diseño del Sistema de Control. .......................................... 73

4.3. Validación del Sistema Propuesto. ..................................... 76

CONCLUSIONES. ............................................................................... 78

RECOMENDACIONES. ....................................................................... 80

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. .................................................... 81

ANEXO 1. ............................................................................................ 82

ANEXO 2 ............................................................................................. 83

viii

INDICE DE FIGURAS

1.- Partes de un Quilópodo. ............................................................ 21

2.- Tipos de Articulaciones. ............................................................ 27

3.- Combinación de articulación...................................................... 28

4.- Cilindros neumáticos ................................................................. 30

5.- Motores neumáticos .................................................................. 31

6.- Quilópodo .................................................................................. 52

7.- Robot Hexápodos ...................................................................... 53

8.- Prototipo en madera .................................................................. 54

9.- Trayectoria de la Pata ............................................................... 56

10.- Locomoción del quilópodo ....................................................... 56

11.- Posicionamiento de las patas en el plano frontal..................... 57

12.- Simulación de una pata en MATLAB ....................................... 58

13.- Simulación del movimiento en MATLAB ................................. 59

14.- Posicionamiento de las patas en el plano superior.................. 60

15.- Vista frontal del prototipo de madera ....................................... 61

16.- Vista lateral del prototipo de madera ....................................... 61

17.- Quilópodo simulado en Blender............................................... 62

18.- Prototipo de sistema óseo ....................................................... 62

19.- Prototipo de cuerpos. .............................................................. 63

20.- Prototipo de Módulos ............................................................... 63

ix

21.- Prototipo de articulaciones ...................................................... 64

22.- Prototipo Final del robot quilópodo. ......................................... 65

23.- Simulación de los motores de paso ........................................ 68

24.- Prototipos simulados en Blender ............................................. 69

25.- Señal de control del servomotor .............................................. 70

26.- Posición de los servomotores .................................................. 72

27.- PCB del PIC16f84A ................................................................. 72

28.- PCB del PIC16f84A con el cristal y el reset ............................. 73

x

INDICE DE TABLAS

1.- Limites de los tamaños de los componentes del suelo según la

clasificación de la ASTM (en milímetros). .................................................... 18

2.- Resumen de los tipos de actuadores empleados en robótica. ................ 38

3.- Sistema de Variables. ............................................................................. 42

4.- Fase I. ..................................................................................................... 48

5.- Fase II. .................................................................................................... 49

6.- Fase III. ................................................................................................... 50

7.- Fase IV. .................................................................................................. 50

8.- Fase V. ................................................................................................... 51

9.- Datos del bosquejo en madera. .............................................................. 54

10.- Parámetros DH para el Robot .............................................................. 55

11.- Programa del primer PIC. ..................................................................... 65

12.- Programa del segundo PIC. .................................................................. 66

13.- Lógica de entradas. .............................................................................. 71

14.- Validación del Prototipo Final. .............................................................. 73

xi

INDICE DE ANEXO.

1.- Prototipo en Madera vista frontal. ......................................................... 81

2.- Prototipo en madera vista superior. ...................................................... 82

xii

Montero, José. ROBOT QUILÓPODO PARA TRANSPORTE DE CARGA EN ZONAS DE DIFICIL ACCESO. Universidad Rafael Belloso Chacín. Decanato de Investigación y Postgrado. Maestría en Ingeniería en Control y Automatización de Proceso. Maracaibo, 2012

RESUMEN

El propósito de esta investigación, es estudiar el comportamiento de un Robot Quilópodo para Transporte de Carga en Zonas de Difícil Acceso. Las zonas de difícil acceso se presentan por la motivación del ser humano a la exploración del medio ambiente, se ha encontrado con lugares difíciles de trasladar el equipo necesario para su trabajo. Todo trabajo que al hombre se le dificulta laborar recure a los robots que hoy en día son equipos controladas con microcontroladores, permitiendo la precisión, seguridad y estabilidad. Un robot quilópodo conformado por un módulo, constituido por ocho patas con dos articulaciones independientemente, permitiendo desplazarse por lugares en equilibrio y con seguridad de un lugar a otro. El desplazamiento equilibrado y seguro del robot quilópodo lo controla un PIC ubicando cada articulación en un punto adecuado para mantener el equilibrio del robot al trasladarse de un punto a otro. Por esta razón esta investigación es de tipo descriptiva, en cuanto al diseño es pre-experimental. La metodología utilizada en esta investigación se dividió en cinco fases: 1. Definición del movimiento del robot quilópodo por medio de la observación del insecto quilópodo se identifico la manera del movimiento natural de sus patas y cuerpo. 2. Calcular la cinemática de las articulaciones a controlar del robot quilópodo. 3. Diseñar del modelo cinemático para el robot quilópodo. 4. Programación del control de cada articulación del robot quilópodo. 5. Comprobar el desempeño de las articulaciones de movimiento del robot quilópodo al transportar carga en zonas de difícil acceso. Como resultado de la investigación se obtuvo modelos de articulaciones y programas para controlar los movimientos de un prototipo inspirado en un quilópodo.

Palabras Claves: Robot, Quilópodo, Microcontroladores. xiii

Montero, José. ROBOT QUILÓPODO FOR TRANSPORT OF CARGO IN AREAS OF DIFFICULT ACCESS. University Rafael Belloso Chacín. Dean of research and graduate studies. Master of engineering in process automation and Control. Maracaibo, 2012

ABSTRACT

The purpose of this research is to study the behavior of a Robot Quilópodo for freight transport in remote areas. The remote areas are presented human motivation for exploration of the environment, with places found difficult to move the equipment necessary for their work. All work has a difficult man to labor recure robots today are controlled equipment microcontrollers, allowing the accuracy, security and stability. A quilópodo robot consists of a module comprising eight legs with two joints independently, allowing equilibrium scroll places and safely from one location to another. The balanced and safe movement of the robot is controlled by a PIC quilópodo placing each joint at a suitable point to balance the robot to move from one point to another. For this reason this research is descriptive, as the experimental design is pre. The methodology used in this research was divided into five phases: 1. Definition quilópodo robot motion through observation quilópodo insect was identified as the natural movement of your feet and body. 2. Calculate the joint kinematics robot control quilópodo. 3. Designing the robot kinematic model for quilópodo. 4. Programming the control of each robot joint quilópodo. 5. Check the performance of the robot movement joints quilópodo to transport cargo in remote areas. As a result of the investigation was obtained joints models and programs for controlling the movements of a prototype in one quilópodo inspired.

Keywords: Robot, Quilópodo, microcontroller. xiv

INTRODUCCION

En la actualidad a nivel mundial el hombre ha indagado en la

exploración, en búsqueda de nuevas teorías y algunas veces reforzar el

conocimiento de un tema en particular. Cuando el hombre busca respuesta a

una hipótesis, necesita de una gama de equipos e instrumentos que algunas

veces son pesados o de difícil manipulación, que faciliten su investigación lo

cual lleva a implementar medios de transporte para trasladar estos materiales

pesados necesario para su exploración. Estos trabajos algunas veces

conllevan a conformar poblaciones habitando zonas rurales y en algunas

veces de difícil acceso a vehículos pesado. Sin embargo algunas de estas

zonas son parques nacionales los cuales no se pueden realizar

modificaciones físicas a las vías de transporte. Otras zonas son en otros

planetas que el peso es importante para el traslado.

El medio común de transporte para materiales pesado, son los

camiones conformado por ruedas, la cantidad de ruedas depende de la

carga, estas ruedas siempre tienen puntos de apoyo fijo sobre el terreno,

trasladando todo el peso de la carga a estos puntos de apoyo, maltratando la

superficie por donde pase, también se debe tomar en cuenta el despeje de

objetos por donde pasara el camión. Es por esto que el hombre ha

implementado la robótica para cubrir las necesidades de expiración ya que

esta tecnología se puede adaptar a las condiciones en la cual se va a

desenvolver el robot. Todos los robots necesitan un grado de liberta, esto

radica a la necesidad de un gran número de articulaciones. Entre más

articulaciones tengan un robot más complicado se hace el controlarla, es por

esto que ameritan un microcontrolador el cual permitirá el movimiento

adecuado de cada articulación dando como resultado el desplazamiento del

robot de un lugar a otro de forma equilibrada y segura.

2