Diseño Mecatrónico aplicado a la          Robótica        Andrés Felipe Navas       Ingeniero Mecatrónico         afnavas@...
Introducción La ingeniería mecatrónica se ha desarrollado mediante la aplicación de técnicas de diseño modernas para la cr...
Electrónica          Circuitería de             Electromecánica          ControlControl                    Mecatrónica    ...
Mecánica  Electrónica                        Física                    Robótica Informática                         Matemá...
Diseño MecatrónicoDentro del concepto de diseño mecatrónico se pretende unenfoque organizativo de todos los elementos que ...
Desarrollo del ProyectoA continuación se presentará una metodología para el diseñode robots basada en técnicas concurrente...
ConcurrenciaDurante el desarrollo del proyecto es posible volver aetapas anteriores si el diseño lo requiere; por ejemplo,...
Dentro de la etapa de planificación se realiza unadescripción y un análisis QFD (Quality Function Deployment:Despliegue de...
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Descomposición FuncionalLos conceptos generados nacen de subfunciones que describen elfuncionamiento del robot; sin embarg...
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Interacciones Incidentales
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Distribución GeométricaLa distribución geométrica nace luego de analizar la forma de loselementos que conforman cada conju...
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Diseño para manufacturaDentro del análisis de diseño para manufactura debe tomarse encuenta la distribución geométrica pro...
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Prototipado físicoCuando todas las partes y piezas han sido modeladas y evaluadas se procede aconstruir el prototipo físic...
En esta etapa se analiza el proceso de producción masivadel robot, se organizan líneas de producción utilzando losrecursos...
Desarrollo de SoftwareEl desarrollo del software de control se realiza sobre el robot partiendode muchas premisas del dise...
Conclusiones Se presenta a la robótica como una disciplina que colecciona y utiliza diversas herramientas de la ingeniería...
Referencias • Galvis, N. Rojas, E. Navas, A. (2002). Robot manipulador de tipo semindustrial, proyecto de grado para optar...
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Tecnicas Diseño Concurrente para robots

  1. 1. Diseño Mecatrónico aplicado a la Robótica Andrés Felipe Navas Ingeniero Mecatrónico afnavas@uao.edu.co anavas@robotekltda.com
  2. 2. Introducción La ingeniería mecatrónica se ha desarrollado mediante la aplicación de técnicas de diseño modernas para la creación de dispositivos inteligentes que poseen gran nivel de integración de tecnologías. La robótica entonces puede ser analizada desde el punto de vista mecatrónico y desarrollada bajo la perspectiva multidisciplinaria que ésta requiere.
  3. 3. Electrónica Circuitería de Electromecánica ControlControl Mecatrónica Mecánica Control Digital CAD Informática
  4. 4. Mecánica Electrónica Física Robótica Informática Matemática AutomáticaDe esta manera la robótica como tal se apoya en laMecatrónica como metodología de diseño a la hora dela construcción de éstas máquinas
  5. 5. Diseño MecatrónicoDentro del concepto de diseño mecatrónico se pretende unenfoque organizativo de todos los elementos que intervienentanto en el desarrollo del producto como en el procesoproductivo desde la idea inicial hasta el desarrollo final, demanera simultánea, asegurando condiciones funcionales,estructurales, de fabricación, mantenimiento, entre otras; estadefinición de diseño también conocida como concurrenteimplica:• La integración de equipos de trabajo multidisciplinarios.• El uso de herramientas computacionales para el desarrollo,cooperación e integración de las actividades.
  6. 6. Desarrollo del ProyectoA continuación se presentará una metodología para el diseñode robots basada en técnicas concurrentes y bajo unaperspectiva mecatrónica, con el fin de desarrollar robotsautónomos siguiendo las diferentes etapas necesarias para laelaboración de proyectos.
  7. 7. ConcurrenciaDurante el desarrollo del proyecto es posible volver aetapas anteriores si el diseño lo requiere; por ejemplo,durante la etapa de prueba y refinamiento puede llegar asurgir la necesidad de cambiar algún concepto, volviendo ala etapa de desarrollo conceptual o de diseño a nivel desistema. Sin embargo como éste es un proyectomultidisciplinario puede darse el caso de cambiar conceptosde partes que no afecten directamente otros subsistemas.Por lo tanto las etapas del proyecto no son una líneacontinua; existe la posibilidad de volver a etapas anteriorespara ajustar el diseño a las especificaciones ycaracterísticas deseadas.
  8. 8. Dentro de la etapa de planificación se realiza unadescripción y un análisis QFD (Quality Function Deployment:Despliegue de la Función de Calidad.) del problema de diseño, asícomo sus especificaciones; aquí se debe tener en cuentaun análisis de mercado donde los posibles clientes ousuarios manifiestan sus necesidades y/o requerimientosde ingeniería para el robot. Es de mencionar que en estepunto deben identificarse las restricciones de producciónasí como el establecimiento de algunas cadenas desuministros.
  9. 9. Requerimientos ydefiniciones de un clientetipo usuarioTambién existen otro tipo de clientesque generan sus propiosrequerimientos como elre p re s e nta nte d e m a nufa c tura o e linve rs io nis ta ; donde losrequerimientos pueden ser técnicoso pueden limitar el proyecto y eldiseño, en tiempo y dinero.
  10. 10. En el desarrollo conceptual se realiza el análisisfuncional del producto identificando sus funciones ysubfunciones principales, se generan, seleccionan yprueban conceptos y ha de aplicarse una evaluación adichos conceptos seleccionados; y adicionalmente serealizan algunos cálculos de ingeniería necesariospara el desarrollo y prueba de éstos conceptos.Deben analizarse otro tipo de robots existentes quecumplen tareas similares a las especificadas.(Benchmarking)
  11. 11. Descomposición FuncionalLos conceptos generados nacen de subfunciones que describen elfuncionamiento del robot; sin embargo estos conceptos pueden ser muyvariados pues existen muchos elementos físicos que cumplan condeterminada función (Función: Locomoción – Conceptos: motor DC, motorAC, motor PaP, actuador hidráulico, etc.).
  12. 12. Selección de ConceptosCada concepto que se obtiene debe ser ponderado dentro de una matriz detamizaje, luego debe ser evaluado y probado; desarrollando finalmente elconjunto de conceptos apropiado y su interacción entre ellos; en este punto sedeben realizar los cálculos de ingeniería con el fin de seleccionar materiales ypartes según las especificaciones obtenidas luego del QFD.
  13. 13. Selección de Conceptos Conceptos para la pata de un robot de exploración. Matriz de tamizaje en la selección de conceptos.
  14. 14. Para la etapa de diseño a nivel de sistema se ha deestablecer la arquitectura del producto y se hace unadescomposición de los sistemas que hacen parte delproyecto; se desarrolla y refina el robot desde el puntode vista del diseño industrial y se estiman algunosdistribuidores y canales de compra de elementosnecesarios, tales como sensores, actuadores,controladores, entre otros.
  15. 15. Interacción entre elementos Para definir la arquitectura del robot se deben revisar las interacciones entre elementos, de modo que sea claro cuáles elementos se deben agrupar conformando diferentes módulos.
  16. 16. Interacciones Incidentales
  17. 17. Durante el d is e ño d e ta lla d o se debe definir la distribucióngeométrica para los sistemas mecánicos, electrónicos yde control que tendrá el robot, además hay que brindaruna explicación detallada de los mismos desarrollandosus respectivos prototipos. Se deben definir los procesosde producción de las piezas y circuitos, su diseño paramecanizado y los procesos de aseguramiento de lacalidad. Se debe realizar un análisis de co-diseñoHardware-Software
  18. 18. Distribución GeométricaLa distribución geométrica nace luego de analizar la forma de loselementos que conforman cada conjunto y sus interacciones.
  19. 19. Diseño detalladoAhora es importante hacer una revisión del diseño desde el puntode vista industrial y de manufactura.La mejor forma de lograr una valoración de diseño industrialconsiste en realizar un análisis de las necesidades ergonómicas(todos los aspectos que tienen que ver con el contacto del productocon las personas), así como también de las necesidades estéticas(relacionadas con el impacto visual del producto).Estas consideraciones son de gran importancia pues resaltanaspectos como la facilidad de uso, la calidad de las interfaces con elusuario, la seguridad y la apariencia física, características de sumaimportancia para un usuario final y que brindan un valor agregado alproducto.
  20. 20. Diseño para manufacturaDentro del análisis de diseño para manufactura debe tomarse encuenta la distribución geométrica propuesta y verificar si realmentees posible ubicar los elementos donde se ha propuesto (revisión debridas, soportes, conectores, etc.). Es muy importante tener encuenta la facilidad de ensamble de cada elemento, así como suacceso para mantenimiento.Si el robot ha de ser producido en masa deben analizarse lostiempos de ensamble y su facilidad para armado y desarmado,buscando así una reducción del costo de producción.
  21. 21. Diseño detallado Es importante concebir todos los planos, ensambles y subensambles en programas CAD como el AutoCad, SolidWorks, SolidEdge, etc; éstos son de gran ayuda para realizar prototipos virtuales, útiles para la mejora del diseño y de la distribución geométrica de los elementos; incluso en algunos casos existe la posibilidad de corroborar cálculos de resistencia mecánica de las partes y de su comportamiento dinámico apoyándose en paquetes CAE.
  22. 22. En la etapa de p rue ba y re fina m ie nto se realizan laspruebas de fiabilidad, tiempo de vida y desempeño;además se implementan cambios en el diseño necesariospara la mejora del robot; es importante refinar el procesode aseguramiento de la calidad en este punto.
  23. 23. Prototipado virtual En este momento al modelar todas las piezas y partes que componen el robot es posible realizar los subensambles para verificar el ensamble general del robot. Es importante modelar espacialmente dónde y cómo se ubicarán los componentes electrónicos que irán montados en la estructura mecánica del robot.Cabe anotar que todas las etapas de diseño mencionadas se han de realizaren conjunto para el desarrollo de los elementos mecánicos y electrónicos delrobot pues de eso depende que la sinergia del sistema sea exitosa.
  24. 24. Prototipado físicoCuando todas las partes y piezas han sido modeladas y evaluadas se procede aconstruir el prototipo físico y completo (producto final) donde interactuán los sistemasmecánicos y electrónicos.En ésta etapa también se corrigen problemas por algunas interacciones incidentalesque no fueron analizadas previamente, al probar todos los subsistemas funcionando enconjunto.
  25. 25. En esta etapa se analiza el proceso de producción masivadel robot, se organizan líneas de producción utilzando losrecursos existentes en planta u organizando un proyectode actualización de planta y equipos para la fabricacióndel producto.
  26. 26. Desarrollo de SoftwareEl desarrollo del software de control se realiza sobre el robot partiendode muchas premisas del diseño como su geometría y estructura física.Generalmente es necesario desarrollar un software embebido(firmware) que se encontrará residente en la memoria interna deldispositivo y se encargará del control de sus actuadores, leer sensoresy tomar decisiones que le confieran cierto nivel de “inteligencia” al robot.También se desarrolla un software para monitoreo y programación delrobot a través de un computador personal, permitiéndole al robot unainterfaz directa con el usuario. En robots móviles es muy usualencontrar conexiones inalámbricas para que el robot se comunique conel usuario (PC), informe su estado y solicite alguna acción.
  27. 27. Conclusiones Se presenta a la robótica como una disciplina que colecciona y utiliza diversas herramientas de la ingeniería como la mecánica, electrónica, el control y la informática, por esto la ingeniería mecatrónica puede dar un soporte efectivo y óptimo al desarrollo de éstos dispositivos. Aprovechando el enfoque de diseño concurrente para el desarrollo de dispositivos mecatrónicos se propone una metodología de diseño para robots tanto fijos como móviles. El diseño industrial y para manufactura da un balance entre lo estético y lo económico para hacer al robot llamativo y funcional.
  28. 28. Referencias • Galvis, N. Rojas, E. Navas, A. (2002). Robot manipulador de tipo semindustrial, proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecatrónico. Corporación Universitaria Autónoma de Occidente, Cali. • Méndez, A. (2003). Curso de Diseño Mecatrónico I y II, notas de clase para curso de pregrado en Ingeniería Mecatrónica. Corporación Universitaria Autónoma de Occidente, Cali. • Pava, H-Y. (2009). Sistema robótico de entretenimiento e interacción entre humano y hámster “RoboCUY”, proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecatrónico. Universidad Autónoma de Occidente, Cali. • Rojas, A. Salazar, F. (2003). Robot de exploración Bioinspirado con sistema de visión artificial “CICLOPE”, proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecatrónico. Corporación Universitaria Autónoma de Occidente, Cali. • Ulrich, K. Eppinger, S. (2000). Product Design and Development, Second Edition. McGraw Hill. Boston. • Berkeley U. “Mechatronics and robotics”. http://www.me.berkeley.edu/ Grad/Areas/ME_Main_Frame_Mechatronics.htm
  29. 29. Gracias por su atención! ¿Preguntas?
  30. 30. Robot NEA144
  31. 31. Mano Robótica ACO
  32. 32. RoboCuy
  33. 33. Ciclope
  34. 34. Plataforma Móvil

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