Diseño, implementación y control de un prototipo de monociclo

Abstract

[ES] Este trabajo de fin de máster aborda el desarrollo y control de un robot monociclo, integrando conocimientos de ingeniería mecánica, electrónica y control automático. El objetivo principal es crear un sistema de equilibrio autónomo para el robot, un desafío grande debido a su naturaleza inestable. El proyecto comienza con el diseño conceptual del robot en un entorno 3D utilizando software CAD. Este modelo permite visualizar y ajustar la estructura del robot antes de proceder a la fabricación de las piezas. Se identifican y solucionan problemas de diseño, garantizando que todos los componentes encajen adecuadamente. Posteriormente, se valida el diseño mediante simulaciones en Simulink. Estas simulaciones permiten analizar el comportamiento del robot bajo diferentes condiciones y ajustar los parámetros de control para optimizar su estabilidad. Se desarrollan y prueban controladores PD (proporcional-derivativos) tanto para el balanceo como para el cabeceo, asegurando que el robot pueda responder de manera efectiva a las perturbaciones y mantener su equilibrio. Una vez validado el diseño en el entorno de simulación, se procede a la implementación real del robot. Esta fase incluye la selección y adquisición de componentes, como motores, sensores y controladores, así como la fabricación de las piezas necesarias mediante impresión 3D. Se ensamblan todos los componentes y se realizan las conexiones eléctricas siguiendo un esquema detallado para asegurar la correcta comunicación entre el microcontrolador y los diferentes elementos del sistema. La programación del sistema es una de las partes más cruciales del proyecto. Se implementan los controladores PD previamente diseñados en la simulación, adaptándolos a las condiciones del mundo real. Se realizan numerosos ajustes y pruebas para calibrar los sensores y optimizar la respuesta del robot a las perturbaciones. Además, se enfrentan desafíos adicionales, como la necesidad de diseñar piezas adicionales para sujetar los componentes y asegurar el correcto ensamblaje del robot. En resumen, este proyecto combina teoría y práctica haciendo uso de las ramas principales de la ingeniería mecatrónica.

[EN] This master's thesis addresses the development and control of a unicycle robot, integrating knowledge of mechanical engineering, electronics, and automatic control. The primary objective is to create an autonomous balancing system for the robot, a significant challenge due to its inherently unstable nature. The project begins with the conceptual design of the robot in a 3D environment using CAD software. This model allows visualization and adjustment of the robot's structure before proceeding to the fabrication of the parts. Potential design issues are identified and resolved, ensuring that all components fit together properly. Subsequently, the design is validated through simulations in Simulink. These simulations enable analysis of the robot's behaviour under different conditions and adjustment of control parameters to optimize its stability. PD (proportional-derivative) controllers are developed and tested for both balancing and pitching, ensuring that the robot can effectively respond to disturbances and maintain its balance. Once the design is validated in the simulation environment, the actual implementation of the robot proceeds. This phase includes the selection and acquisition of components such as motors, sensors, and controllers, as well as the fabrication of necessary parts using 3D printing. All components are assembled, and electrical connections are made following a detailed schematic to ensure proper communication between the microcontroller and the various system elements. The programming of the system is one of the most crucial parts of the project. The PD controllers previously designed in the simulation are implemented, adapting them to real-world conditions. Numerous adjustments and tests are conducted to calibrate the sensors and optimize the robot's response to disturbances. Lastly, additional challenges are faced, such as the need to design extra parts to hold components in place and ensure the proper assembly of the robot. In short, this project combines theory and practice by making use of the main branches of mechatronic engineering. En resum, este projecte combina teoria i pràctica fent ús de les branques principals de l'enginyeria mecatrònica.