Vol. 2 – Núm. 2
Julio – Diciembre - 2019
Prototipo robótico a control remoto para la inspección de zonas de alto riesgo
Remote-controlled robotic prototype for inspection of high-risk áreas
Protótipo robótico de controle remoto para inspeção de áreas de alto risco
Antonio Brandon Avalos Chipantiza1
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
abavalos@espe.edu.ec
Jordy Javier Quinatoa Medina2
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
jjquinatoa2@espe.edu.ec
Lisbeth Adriana Caiza Guachi3
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
lacaiza8@espe.edu.ec
Milton Temistocles Andrade Salazar4
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Recibido: 10/06/2019
Aceptado: 25/07/2019
Publicado: 24/08/2019
En el presente trabajo se analizó la implementación de un prototipo robótico a control remoto, con el objetivo de reconocer e inspeccionar sucesos ocurridos en zonas de alto riesgo, donde las personas no son capaces de acceder. El dispositivo realizado está compuesto de materiales polímeros, capaz de soportar terrenos y temperaturas irregulares; tiene una capacidad de visión de 260 metros. Consta de tres tipos de rodadura para el desplazamiento de diferentes superficies. El prototipo robótico ayudó y colaboró con la visión de diversos acontecimientos a personas que no pudieron llegar a los lugares en cuestión.
Palabras claves: Prototipo, Robot, Remoto, Monitorizar, Inalámbrico.
In the present work, the implementation of a remote-controlled robotic prototype was analyzed, with the objective of recognizing and inspecting events occurring in high-risk areas, where people are not able to access. The device is composed of polymer materials, capable of withstanding irregular terrain and temperatures; it has a vision capacity of 260 meters. It consists of three types of rolling for the displacement of different surfaces. The robotic prototype helped and collaborated with the vision of various events to people who could not reach the places in question.
Keywords: Prototype, Robot, Remote, Monitor, Wireless.
No presente trabalho, foi analisada a implementação de um protótipo robótico de controle remoto, a fim de reconhecer e inspecionar eventos ocorridos em áreas de alto risco, onde as pessoas não têm acesso. O dispositivo é composto por materiais poliméricos, capazes de suportar terrenos e temperaturas irregulares; tem uma capacidade de visão de 260 metros. Consiste em três tipos de rolamento para o deslocamento de diferentes superfícies. O protótipo robótico ajudou e colaborou com a visão de vários eventos para pessoas que não conseguiam chegar aos lugares em questão.
Palavras-chave: Protótipo, Robô, Remoto, Monitor, Wireless.
Introducción
En la actualidad el planeta se encuentra en un estado en el cual cualquier parte de este está expuesto a los impactos de la naturaleza y sus catastróficas consecuencias. Es por esto que el estudio de este proyecto se basa en la implementación de un robot que nos ayuden a actuar frente a estos tipos de desastres, entre los cuales destacan los terremotos, ya que es en estos donde la ayuda breve y eficaz es de gran importancia, es aquí donde la intervención de un robot puede marcar la diferencia con lo que puede hacer el ser humano en este tipo de circunstancias (Giménez Fernández, 2000).
Con el análisis de información de trabajos previos existentes se puede determinar que este prototipo puede tener mucha incidencia en otros tipos de escenarios, ya que un dato importante a recalcar es que cada año mueren en desastres alrededor de un millón de personas, y con la ayuda de robots especializados en búsqueda y rescate se han podido salvar más vidas.
Según otras vías de información, “Las manifestaciones del crimen organizado, en término transnacional, ha crecido en el Ecuador; siendo la principal, el narcotráfico. Por lo tanto, se ha implementado una serie de Políticas Públicas para contrarrestar este fenómeno a nivel nacional. Actualmente, el crimen organizado es una de las principales amenazas a la seguridad y a la gobernanza democrática a nivel mundial; por su capacidad para corromper, violencia y aprisionar a las instituciones públicas, por lo general en zonas débiles de seguridad. Históricamente, en los países de Latinoamérica tales como: Bolivia, Colombia, Ecuador, Perú y Venezuela; aquellas áreas que carecen de atención de servicio público, han sido tomados en algunos casos por organizaciones relacionadas con grupos criminales, adquiriendo una legitimidad entre la población” (Sanchez, 2014).
Según un artículo podemos establecer que estos robots a más de actuar en estos tipos de desastres también pueden ser utilizados en zonas de peligros donde la policía labora como secuestros, operativos al narcotráfico, permitiendo así analizar el escenario y actuar con cautela (Gallegos Correa, 2018).
Como objetivo de la investigación se desea hacer más fácil la visibilidad de zonas de alto riesgo a las personas sin poner en peligro su vida.
Con el uso frecuente del dispositivo robótico para las diferentes catástrofes habrá un menor índice de muertes.
“La robótica es la ciencia encaminada a diseñar y construir aparatos y sistemas capaces de realizar tareas propias de un ser humano. Con esta definición tan general, la palabra robótica cubre muchos conceptos diferentes, pero todo gira en torno a una misma idea” (Almeida, 2013).
“Es la parte de la ingeniería del software que se encarga de desarrollar programas capaces de explorar documentos en busca de determinados contenidos. Existen diversos servicios en internet dedicados a esta parte de la robótica” (Almeida, 2013).
“Los robots móviles están provistos de patas, ruedas u orugas que los capacitan para desplazarse en función de su programación y de la información que reciben. Pueden llevar diversos sistemas de sensores para captar información, por ejemplo: a través de bandas electromagnéticas o fotoeléctricas, vía radio o por medio de sus propias cámaras de visión.” (Robótica, s.f.).
Estos robots solo se pueden mover por una sola superficie, sin ser capaces de pasar a otra. Su forma es muy parecida a la de los robots móviles convencionales cuando andan por el suelo, y al igual que estos, no pueden cambiar su posición entre dos superficies. En cambio, cuando andan por paredes los robots no estimó diseñados para realizar un cambio de dirección tan grande. Algunos prototipos pueden moverse por superficies cuya curvatura no sea demasiado acentuada (Giménez Fernández, 2000).
“En esta clase se pueden encuadrar los robots capaces de moverse en estructuras tridimensionales. Su cinemática tiene que ser capaz de moverse en estructuras de vigas y columnas de un edificio en construcción” (Giménez Fernández, 2000).
El tema para tratar comenzó con la recolección de grandes cantidades de información con respecto a la seguridad e integridad de las personas.
Para obtener el cumplimiento del proyecto se realizaron varios pasos a seguir.
Las necesidades se refieren a las características que el diseñador o cliente desean para su producto a desarrollar. En base a la realización de encuestas se llegó a afirmar que las necesidades o requerimientos que debe tener el robot son: teleoperado; visión y audio en tiempo real, para la mejor observación de los lugares peligrosos a los que se desea llegar; mediana autonomía; comandado (mando) inalámbrico, para el mejor manejo del producto; buen desplazamiento en terrenos irregulares y resistente a fuerzas dinámicas.
Figura 1. Ejemplo de robot con rueda
Fuente: (Hernandez, 2007)
Para obtener el diseño del sistema teleoperado debemos efectuar dos tipos de controles como se mencionarán a continuación.
Control bilateral.
Control supervisado y coordinado.
Figura 2. Sistema de teleoperado de un robot
Fuente:(Orello, 2001)
Existen gran variedad de polímeros que se obtiene en procesos biológicos naturales o sintéticamente por reacciones químicas. Por lo tanto, se realizará la selección de aquellos que cumplan con las propiedades de deformarse extensamente y regresar a su estado original. Con las ventajas y desventajas que resultaron, se tomó la decisión de utilizar los materiales polímeros.
Figura 3 Arquitectura de robot móvil
Para llevar a cabo las implementaciones en el robot, constará de tres procedimientos:
Implementación electrónica, que consiste en la realización de las placas PCB y montaje de elementos.
Implementación mecánica, basada en el desarrollo de las piezas que soportaran los esfuerzos mecánicos de implementos electrónicos, electromecánicos y estructura. En este se procederá a dar forma a las placas.
Ensamblaje, unión de todas las piezas por medio de tornillos, teniendo como resultado el control remoto y robot.
Para comprobar la funcionalidad del prototipo se establecieron ciertas pruebas en diferentes campos, para verificar su eficiencia al momento de cumplir con su labor.
Para la movilidad del aparato se utilizaron 3 tipos de rueda las cuales cumplen con ciertas características al momento de desplazarse en diferentes terrenos.
Los resultados obtenidos en esta categoría se muestran en la siguiente tabla:
En este apartado se realizaron pruebas en diferentes terrenos para probar el desempeño de la rodadura del prototipo. Los principales terrenos que encontramos dentro de las edificaciones son cemento, madera, cerámicos, alfombra y adicionalmente terrenos como césped y asfalto. La prueba la realizo tomando en cuenta la inclinación máxima que puede llegar a tener el robot al momento de subir (Gallegos Correa, 2018).
El máximo ángulo que el robot puede subir en un plano inclinado fue de 50 en concreto porque la fuerza normal disminuye a tal punto que no hay fuerza de fricción suficiente entre la rodadura y el suelo. En lo que tiene que ver a los terrenos de madera, piso flotante, cerámico y alfombrado fueron satisfactorias porque es el terreno donde el robot se va a desarrollar. Mientras en el terreno en donde el robot no rinde aceptablemente bien, es césped debido a las hojas que impiden que el robot pueda girar libremente, pero la movilidad en dirección recta lo realiza con poca dificultad. Entre más largo sea el césped, menos es la capacidad de movilidad del robot (Gallegos Correa, 2018).
En esta prueba solo se tomó en cuenta los obstáculos que estarán en medio de la vía de transmisión del robot. La prueba de autonomía se realizó con todo el sistema puesto en marcha, motores y envío de audio/video. El obstáculo a tomar en cuenta será paredes únicamente porque el robot va a trabajar mayor parte en interiores. En la tabla 3 se muestra los alcances tanto del sistema de visión y audio, como la del sistema de transmisión de datos.
|
Obstáculos |
Sistema audio/video |
Sistema transmisión de datos |
|
Línea de vista |
260 metros |
320 metros |
|
1 pared |
90 metros |
110 metros |
|
2 paredes |
50 metros |
60 metros |
|
3 paredes |
18 metros |
25 metros |
En la tabla 4 se hizo medición del voltaje de la batería de cada estación en intervalos de 10 minutos. Durante el proceso, todos los motores estuvieron funcionando a máxima velocidad y se hizo de prueba hasta que la estación robot se quede sin energía suficiente para que opere.
|
Tiempo de operación (min) |
Voltaje en la batería de la estación (V) |
|
|
Control remoto |
Robot |
|
|
0 |
12.6 |
12.6 |
|
10 |
12.04 |
12.42 |
|
20 |
11.38 |
12.19 |
|
30 |
10.50 |
12.07 |
|
40 |
9.72 |
11.89 |
Los resultados presentados en estas dos tablas nos dan a conocer lo siguiente:
El alcance de los dos sistemas está definido por el alcance menor de cualquiera de ellos. En esta prueba se evidencia que el alcance será definido por el sistema de transmisión audio/video. Por lo tanto, el alcance máximo a línea de vista para la teleoperación es de 260 metros (Gallegos Correa, 2018).
La autonomía máxima de todo el sistema viene dada por el rendimiento máximo de la batería del control remoto que fue de 40 min, por debajo de 10 voltios empieza a descargarse más rápido.
La prueba de resistencia mecánica a caídas se lo realiza soltar al robot en caída libre a distancias de intervalos de 50 cm hasta los 2 metros. Después de cada prueba, se evaluó el estado de la estructura conformada por chapas de aluminio.
|
Altura (cm) |
Modelo 1 |
Modelo 2 |
Modelo 3 |
|
50 |
Bien |
Muy bien |
Muy bien |
|
100 |
Malo |
Bien |
Muy bien |
|
150 |
Malo |
Malo |
Muy bien |
|
200 |
Malo |
Malo |
Muy bien |
Se diseñó e implementó un robot móvil tele operado inalámbricamente, a bajo costo, para inspección a distancia por medio de un control remoto siendo la interfaz donde el usuario monitorice unilateralmente los movimientos del robot y con capacidad de soportar caídas de hasta 2 metros.
Emplear el caucho de silicona para este proyecto fue de mucha importancia por sus características mecánicas siendo un material de amplia deformación y desplazamiento, pudo satisfacer 3 parámetros de diseños como sistema de suspensión, tracción y sistema para los golpes, además se complementa con el diseño geométrico de la rodadura.
Se logró obtener una teleoperación a tiempo real gracias a los criterios tomados para el diseño de los sistemas de transmisión de A/V y del sistema de transmisión de datos como son banda ancha, frecuencia de modulación y procesamiento de datos.
Elaborar mayor número de sistemas para que el prototipo robótico pueda recorrer mayor número de superficies.
El peso del robot es un factor crítico. Para ello se podría cambiar las ruedas por un elastómero más rígido y que el ancho de las conexiones sean menor. También el uso de materiales compuestos más ligeros para la fabricación del bastidor y de la carrocería, reduciría el peso.
Tomar mucha consideración la resistencia de los actuadores ante los esfuerzos mecánicos; guiándose por la simulación previa y en la forma de acoplarlos a la estructura del robot, a base de ellos se optimiza la robustez del diseño. O También, escoger actuadores más robustos.
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1 Estudiante de la carrera de Ingeniería en Tecnologías de la Información, cursando tercer semestre.
2 Estudiante de la carrera de Ingeniería en Tecnologías de la Información, cursando tercer semestre.
3 Estudiante de la carrera de Ingeniería en Tecnologías de la Información, cursando tercer semestre.
4 Ingeniero en Computación y Ciencias de la Informática, Magister en Docencia Universitaria e Investigación Educativa, Docente del área de Ciencias Humanas de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Sede Santo Domingo.