Diseño, desarrollo y simulación de un gemelo digital de un brazo colaborativo Universal Robots mediante comunicaciones OPC UA y CoppeliaSim

Abstract

[ES] En esta tesis se presenta el diseño, desarrollo y simulación de un brazo colaborativo Universal Robots mediante comunicaciones OPC UA y CoppeliaSim, con el objetivo de crear un gemelo digital. Un gemelo digital es una réplica virtual de un objeto o sistema que permite simular su comportamiento en tiempo real y obtener datos para su análisis. En este caso, se busca obtener datos de un brazo robot en tiempo real para su visualización y análisis. La justi cación de este trabajo radica en la importancia actual de los sistemas ciberfísicos y los modelos de datos en la Industria 4.0, donde la creación de gemelos digitales es una herramienta clave para la toma de decisiones y la optimización de procesos industriales. La creación de un gemelo digital de un brazo robot puede permitir la optimización de su funcionamiento, el diseño de nuevas estrategias de control y la reducción de tiempos de mantenimiento y reparación. Para desarrollar el gemelo digital, en primer lugar, se han de extraer los datos en tiempo real del brazo robot, para lo que se utiliza la librería RTDE con Python. Esta librería posibilita la conexión al controlador del brazo robot mediante una vía Ethernet, y la obtención de datos, tales como la posición, velocidad, aceleración, fuerzas y pares, entre otros. Estos datos se almacenan en el servidor implementado en lado del robot para que puedan ser accedidos por los clientes. El acceso a los datos se realiza por medio de una estructura cliente-servidor mediante comunicación OPC UA. Esta arquitectura proporciona una gran interoperabilidad y seguridad para el intercambio de datos en tiempo real. Para establecer la comunicación cliente-servidor, se desarrolla un modelo de información en el que se modelan los objetos y variables necesarios exponer los datos en el servidor, y se generan los archivos XML necesarios para la creación del servidor OPC UA con Open62541. El cliente que puede ser implementado en varios lenguajes de programación, se comunica con el servidor a través de una conexión TCP/IP para acceder a los datos. Por último, se realiza la simulación en CoppeliaSim importando el modelo del brazo robot y con gurando sus propiedades y parámetros para permitir la simulación en tiempo real. Para integrar los datos recibidos en el cliente OPC UA con la simulación en tiempo real del brazo robot en CoppeliaSim, se desarrollan scripts en Python que permiten la comunicación entre ambos entornos. De esta forma, se dispone de una simulación que permite visualizar los datos de manera sencilla e integrarse en sistemas más complejos que involucran otros elementos de la cadena de producción o de la fábrica. En resumen, en esta tesis se utiliza la librería RTDE con Python para la extracción de datos en tiempo real del brazo robot, se desarrolla una arquitectura cliente-servidor mediante el estándar OPC UA y se crea un servidor OPC UA con Open62541 para la transmisión segura y contable de datos entre dispositivos. Además, se integran los datos recibidos por el cliente en la simulación en tiempo real del brazo robot en CoppeliaSim. El resultado que se espera obtener es un gemelo digital fiel a su homólogo físico en cuanto a estructura y comportamiento, que permita la simulación y análisis del brazo robot en tiempo real.