Desarrollo de un robot de servicio tele-operado para asistir en tareas de limpieza a alta presión

Abstract

RESUMEN: Este documento presenta el desarrollo de un robot de servicio tele-operado para asistir al personal que realiza tareas de limpieza a alta presión; consta de una base móvil de tres ruedas, con locomoción de tipo tracción diferencial, y un sistema pan-tilt de dos grados de libertad, montado sobre la base móvil. Dentro de la base móvil se encuentra alojada una hidrolavadora comercial, así como el sistema eléctrico, electrónico, de tracción y control del robot. Una pistola de chorros de agua a alta presión se encuentra montada en el sistema pan-tilt como efector final del robot, la cual se manipula vía remota, así como la base móvil, desde un gamepad comercial; esto permite que el usuario pueda operar el robot de manera sencilla sin necesidad de tener que programar alguna trayectoria o requerir de un mínimo conocimiento de robótica. El modo de operación del robot permite que la base móvil se puede desplazar libremente cuando el sistema pan-tilt no se encuentra en uso, y de igual manera, el sistema pan-tilt se puede manipular con libertad cuando la base móvil se encuentra estática. Esto permite que el análisis mecánico del robot se pueda separar en un análisis estático de la base móvil y un análisis dinámico del sistema pan-tilt. El análisis estático del robot se realiza bajo la tercera ley de Newton, para obtener la masa mínima requerida para que el robot móvil no vuelque por acción de la fuerza de repulsión del chorro de agua a alta presión. El modelo dinámico del sistema pantilt se obtiene mediante la formulación de Newton-Euler a partir del análisis de las fuerzas internas y externas que interactúan durante la tarea de limpieza, el cual permite obtener el partorsión mínimo requerido en los actuadores. Mediante una simulación en SolidWorks se valida, a nivel software, el modelo dinámico propuesto. Se presenta el modelo cinemático de la base móvil para que el robot pueda desarrollar giros de 90° con la tracción diferencial, a partir de una trayectoria propuesta. Un análisis de resistencia a la rodadura es desarrollado para obtener el par-torsión mínimo requerido para que la base móvil pueda desplazarse libremente sobre superficies lodosas. Se presenta la construcción del prototipo a partir de un diseño CAD propuesto. Se desarrolla la validación del prototipo a partir de cuatro evaluaciones experimentales principales: validación de movilidad del sistema pan-tilt, del modelo cinemático de la base móvil, del modelo dinámico del sistema pan-tilt; y la obtención de las características operativas del robot a partir del desarrollo una tarea de limpieza a alta presión. ABSTRACT: This document presents the development of a tele-operated service robot to assist high pressure cleaning tasks staff; it consists in a mobile base with three wheels, with differential traction locomotion, and a pan-tilt system of two degrees of freedom, sited over the mobile base. Inside the mobile base there is a commercial water-jet cleaning machine, also the electric, electronic, traction and control system of the robot. A water-jet gun is mounted on the pan-tilt system as robot’s end effector, which is manipulated remoted via, as the mobile base too, through a commercial gamepad; this let an easy-way user operation without necessity of path programming or the necessity of a minimum robotics knowledge. The robot’s operation mode let a free displacement of the mobile base when the pan-tilt system is stopped, by the same way, the pan-tilt system has a free manipulation when the mobile base is static. This let to separate robot´s mechanical analysis in a static analysis for the mobile base and a dynamic analysis for pan-tilt system. Robot´s static analysis is carried out by Newton’s third law, to obtain the minimum robot´s mass required to do not overturn by the repulsion force action of water-jet. Pan-tilt’s system dynamic model is obtained by Newton- Euler formulation from internal and external forces analysis that actuate during the highpressure cleaning task, which let to obtain the minimum actuator’s torque. Proposed dynamic model is validated, at software level, by using SolidWorks. Mobile base’s kinematic model is presented to let turns of 90° to the robot with a differential traction, from a proposed path. A rolling resistance analysis is realized to obtain the minimum mobile base’s torque for displacing over mud surfaces. The prototype’s construction is presented and manufactured from a proposed CAD design. Prototype’s validation is developed by four main experimental evaluation: validation of the pantilt system mobility, mobile base’s kinematic’s, pan-tilt system’s dynamic model; and the obtainment of the main operative characteristics of the robot by developing a high-pressure cleaning task.