Diseño e implementación de un prototipo de robot monociclo con rueda de reacción

Abstract

[EN] In the world today, process automation is used in different types of industries, which is why it is important to be able to implement projects that improve existing processes. In practically any industrial project, a series of components are used, such as: actuators and sensors. In this project, the complete design process of a robot will be carried out from its mechanical design to its actual implementation in order to apply the knowledge learned in the Mechatronics Engineering master's degree. This TFM was based on making a unicycle robot that uses a reaction wheel to maintain balance. The robot will have two different motors that must be controlled so that it can move correctly and stay balanced. The first motor is going to control the wheel of the unicycle and the second motor controls the reaction wheel that controls the balance of the robot. The robot must be able to be read the position from the motor wheel in its base by reading the encoder in order to adjust the speed of the second motor so that the robot can remain standing adequately despite suffering small disturbances. First, the design of the robot was carried out in 3D with the help of Solidworks CAD software to design its parts and then proceed to print them on the university's 3D printer. In addition to this, simulations of the designed model were carried out using the Matlab tool, Simscape to check its functionality. With the help of this tool, simulations of the robot system will be carried out and the closed-loop controller that will be used by the microprocessor to move the robot and maintain balance before different disturbances. After having the simulations, the robot was physically made with the 3D printed parts and the purchased electronic components. Finally, the programming and construction of the robot was carried out so that it is able to move forward and reverse and be able to maintain balance with the help of the implemented reaction wheel.

[ES] En el mundo actual, la automatización de procesos se utiliza en diferentes tipos de industrias, por lo que es importante poder implementar proyectos que mejoren los procesos existentes. En prácticamente cualquier proyecto industrial, se utilizan una serie de componentes, tales como: actuadores y sensores. En este proyecto, se llevará a cabo el proceso completo de diseño de un robot, desde su diseño mecánico hasta su implementación real, con el fin de aplicar los conocimientos aprendidos en el máster de Ingeniería Mecatrónica.

Este TFM se basó en la creación de un robot monociclo que utiliza una rueda de reacción para mantener el equilibrio. El robot tendrá dos motores diferentes que deben ser controlados para que pueda moverse correctamente y mantenerse equilibrado. El primer motor controlará la rueda del monociclo y el segundo motor controlará la rueda de reacción que mantiene el equilibrio del robot. El robot debe ser capaz de leer la posición de la rueda del motor en su base mediante la lectura del codificador para ajustar la velocidad del segundo motor, de modo que el robot pueda mantenerse de pie adecuadamente a pesar de sufrir pequeñas perturbaciones.

Primero, se realizó el diseño del robot en 3D con la ayuda del software CAD Solidworks para diseñar sus partes y luego proceder a imprimirlas en la impresora 3D de la universidad. Además de esto, se realizaron simulaciones del modelo diseñado utilizando la herramienta Matlab, Simscape, para comprobar su funcionalidad. Con la ayuda de esta herramienta, se llevarán a cabo simulaciones del sistema del robot y el controlador de lazo cerrado que utilizará el microprocesador para mover el robot y mantener el equilibrio ante diferentes perturbaciones.

Después de tener las simulaciones, el robot se fabricó físicamente con las piezas impresas en 3D y los componentes electrónicos comprados. Finalmente, se llevó a cabo la programación y construcción del robot para que pueda moverse hacia adelante y hacia atrás y mantener el equilibrio con la ayuda de la rueda de reacción implementada.