Implementación mecatrónica de asistencia al pedaleo para bicicletas

Abstract

[ES] El objetivo de este trabajo final de máster es la implementación mecatrónica de un sistema de asistencia al pedaleo para bicicletas, que se caracterizará por su completa integración y por su gran adaptabilidad a la gran mayoría de bicicletas modernas existentes en el mercado. Dicha implementación abarcará los campos del diseño, fabricación, montaje y posterior puesta en marcha de un prototipo, que será la base del producto comercial final, el cual buscará reducir costes frente a sus principales alternativas. Dadas las diversas áreas que engloba el diseño, éste ha sido dividido en diseño mecánico, diseño eléctrico y diseño electrónico/programación. El diseño mecánico se ha realizado mediante el software de CAD, INVENTOR. Este programa ha sido herramienta indispensable en el dimensionado de los componentes que conforman el sistema de transmisión mecánica del prototipo, como es la innovadora reductora hipocicloidal o el fundamental par de engranajes cónicos rectos que transmiten todo el par generado al eje del pedalier de la bicicleta. También ha sido empleado en el diseño de la soportería de las partes eléctrica y electrónica. El diseño eléctrico se ha basado en el dimensionado del motor, batería y variador, así como del diseño del cableado empleado. Dadas las reducidas dimensiones del producto y que se trataba de un prototipo, se ha optado por una solución comercial de algunos componentes, concretamente dentro del campo del aeromodelismo y de los coches a escala. Es por ello que se cuenta con un motor brushless de rotor interior destinado a embarcaciones a escala, una batería de polímero de litio de coches a radiocontrol y un variador compacto preparado para el control del motor brushless. El diseño electrónico y programación, por su parte, se ha basado en el conexionado y programación de un Arduino UNO, que controlará el variador, así como del módulo Bluetooth conectado a éste, que mediante una aplicación para el sistema operativo ANDROID, programada mediante el software "on line" MIT App INVENTOR, permitirá el control del sistema mediante un Smartphone sujeto en el manillar de la bicicleta. Por otro lado, la fabricación del prototipo se ha decidido realizar mediante impresora 3D, exportando los modelos CAD a un formato compatible mediante INVENTOR y utilizando como filamento el plástico PLA. En cuanto al montaje se ha realizado mediante tornillería basada en el estándar DIN/ISO, en una bancada diseñada especialmente para el prototipo, que recrea el espacio disponible en la gran mayoría de bicicletas de carretera del mercado. Y, por último, en la puesta en marcha, se han establecido los parámetros adecuados de velocidad y control para realizar una simulación escalada de los esfuerzos involucrados en el sistema de asistencia, con el fin de verificar posibles interferencias en el sistema de transmisión mecánica y una correcta transmisión de órdenes entre el Smartphone y el sistema de control.

[EN] The aim of this master's final work is the mechatronic implementation of an assisted pedaling system for bicycles, which will be characterized by its complete integration and its great adaptability to the vast majority of modern bicycles existing in the market. This implementation will cover the fields of design, manufacture, assembly and setting on of a prototype, which is the basis of the final commercial product, which seeks to reduce costs against its main alternatives. Given the various areas that englobes the design, it has been divided into mechanical design, electrical design and electronic design/programming. The mechanical design has been made using the CAD software, INVENTOR. This program has been an indispensable tool in the sizing of the components that make up the mechanical transmission system of the prototype, such as the innovative hypocycloidal gearbox or the important pair of straight bevel gears that transmit all the generated torque to the shaft of the bicycle bottom bracket. It has also been used in the design of the electrical and electronic supports. The electrical design consists on the sizing of the motor, battery and ESC (electronic speed control), as well as the routing of the wiring used. Given the small dimensions of the product and the fact that it was a prototype, it has opted for a commercial solution of some components within the field of radio control modelling. This is why there is an inner rotor brushless motor destined for scale vessels, a lithium polymer battery of radio control cars and a compact ESC prepared to control the brushless motor. The electronic design and programming has been based on the connection and programming of an Arduino UNO, microcontroller that will control the ESC, as well as the Bluetooth module connected to it, which through an application for ANDROID OS, programmed using the software "on line" MIT App INVENTOR, that will allow the control of the system through a smartphone supported on the bicycle handlebar. On the other hand, the manufacture of the prototype has been made by 3D printing, exporting the CAD models to an INVENTOR accepted format and using as a filament the plastic PLA. The assembly has been made by means of screws based on the DIN/ISO standard, in a bench designed especially for the prototype, which recreates the space available in the vast majority of road bikes of the market. Moreover, in the last part, the setting on, the appropriate parameters of speed and control has been established to perform a scaled simulation of the efforts involved in the assistance system, in order to verify possible interferences in the mechanical transmission system and a correct transmission of commands between smartphone and the control system.