Diseño, implementación y control de un prototipo de robot autoestable BallBot de tres ruedas omnidireccionales

Abstract

[EN] The work aims to develop a prototype of the well-known BallBot. It is a self-stabilizing robot that maintains balance on a ball. The robot is equipped with three omnidirectional wheels that allow it to rotate the ball to both maintain balance and move along the X and Y axes, as well as rotate around its vertical axis. Therefore, it is a robot with three degrees of freedom with the added difficulty of being unstable. It is a prototype of a high degree of difficulty, precisely due to its unstable nature. Essentially, it is similar to a two-degree-of-freedom inverted pendulum, with the ability to move in the XY plane. In the first part of the work, a realistic simulation model will be developed using the Simscape Multibody library of Matlab/Simulink. The simulation model will be used to better understand the operation of the robot and the experimental adjustment of the control parameters. The simulation model will include both stability control and trajectory control in the XY plane. In the second part, the real prototype will be implemented, using Arduino as the control device. A two-axis accelerometer provides information about the angular position of the robot's body, necessary for stability control. Trajectory control will be performed manually, using an Android application as the command interface.

[ES] El trabajo pretende el desarrollo de un prototipo del conocido como BallBot. Se trata de un robot autoestable que mantiene el equilibrio sobre una bola. El robot esta equipado con tres ruedas omnidireccionales que le permiten hacer girar la bola para, por una parte mantener el equilibrio y por otra desplazarse en los ejes X e Y a si como girar sobre su eje vertical. Se trata, por lo tanto, de un robot con tres grados de libertad con la dificultad añadida de ser inestable. Se trata de un prototipo de un grado de dificultad elevado, debido precisamente a su naturaleza inestable. En esencia, es similar a un péndulo invertido de dos grados de libertad, con la posibilidad de desplazarse en el plano XY. En la primera parte del trabajo se desarrollará un modelo de simulación realista empleando la a librería Simscape Multibody de Matlab\Simulink. El modelo de simulación se empleará para comprender mejor el funcionamiento del robot y el ajuste experimental de los parámetros del control. En modelo de simulación incluirá tanto control de estabilidad como control de trayectoria en el plano XY. En la segunda parte se implementará el prototipo real, empleando Arduino como dispositivo de control. Un acelerómetro de dos ejes proporciona la información acerca de la posición angular del cuerpo del robot, necesaria para el control de estabilidad. El control de trayectoria se realizará de forma manual, empleando una aplicación Android como interfaz de mando.