RESUMEN ABSTRACT. William Fernando Ayala Peñaranda 1 Jhon David Rojas Ortega 1

R

A nivel mundial ocurren graves problemas urbanos de destrucción masiva, ya sean causados por la naturaleza o por el hombre, tales como terremotos, inundaciones, guerras e incluso ataques terroristas. Gracias a los avances tecnológicos actuales en el área de robótica, surge una aplicación de gran interés global la cual consiste en la utilización de robots de rescate en la tarea de detección de víctimas en lugares que se encuentran en condiciones de emergencia, destinados específicamente a la asistencia de los cuerpos de rescate, como los bomberos o protección civil [2]-[7]. A largo plazo se busca la implementación de un sistema de soporte, formado por un conjunto de robots equipados con sensores especializados, como cámaras infrarrojas, sensores de calor, sensores químicos, sistemas de control remoto, entre otros, los cuales participarían en las tareas de rescate y mantendrían la seguridad e integridad del personal así como las ya evidentes aplicaciones en el sector militar en tareas extremadamente peligrosas como tratamiento con explosivos y revisión de regiones minadas entre muchas otras [1]-[4]-[5]-[6]-[9]. En este artículo se presenta el diseño de la estructura física del robot apoyado en un sólido estudio de su posible locomoción y de los posibles medios en los que se desenvolverá, sin olvidar la respectiva etapa de control para así garantizar la entrega de un dispositivo todo terreno [10].

PPPPPalabras claves:alabras claves:alabras claves:alabras claves:alabras claves: Robótica móvil, asistencia remota, control, estructura mecánica.

Prototipo robótico auxiliar para labores

de búsqueda y rescate

Fase 2: Estructura y locomoción

Prototype of an auxiliary robot for search

and rescue labors

Phase 2: Structure and locomotion

William Fernando Ayala Peñaranda1

Jhon David Rojas Ortega1

A

Globally, serious urban problems of mass destruction occur often, whether caused by nature or by man, such as earthquakes, floods, wars and even terrorist attacks. Thanks to current technological advances in the area of robotics, comes a very interesting application which consists in the use of rescue robots in the task of finding victims in places that are under emergency conditions, specifically for assistance to locate them making easier the job of military crews, firefighters and civil protection workers. In the long term, this kind of tool aims to implement a support system, comprising a set of specialized robots equipped with sensors such as infrared cameras, heat sensors, chemical sensors, remote control systems, among others, which would participate in the rescue efforts and maintain the security and integrity of staff. This paper presents the design of the physical structure of the robot built on a solid study of locomotion and the possible ways in which they take place, including the respective stage of control to ensure the delivery of an all terrain machine.

KKKKKeywords:eywords:eywords:eywords:eywords: Mobile robotics, remote assistance, control, mechanical structure.

1. I

El proyecto propone diseñar y construir un robot móvil equipado con todos los elementos y herramientas estructurales y de locomoción necesarios para que un rescatista entrenado esté en la capacidad de adelantar actividades de búsqueda y exploración en estructuras colapsadas y semicolapsadas teniendo presente lograr reducir todo riesgo y en lo posible al menor costo, el proceso inicia con una búsqueda detallada de proyectos adelantados en otras universidades e industrias, a nivel nacional e internacional, para su posterior análisis y evaluación estructural y funcional [10-34].

Inicialmente se plantea un diagrama de bloques general de las partes principales involucradas en la solución propuesta. Basado en los requerimientos que exige el problema, en el que se incluyen algunos de los aspectos más generales acerca de la interacción rescatista. La estructura básica del modelo que se quiere desarrollar solamente comprenderá la fase de locomoción y control de los actuadores de la misma, en proyectos posteriores integrará una vez concluidas todas sus fases una cámara infrarroja junto con un conjunto de sensores que orientarían al rescatista en el entorno en que se desenvolverá el robot, en otras palabras el robot será una extensión remota del rescatista.

El robot deberá estar en la capacidad de reponerse a posibles imprevistos entre ellos uno de los más importantes

su posible volcadura; el diseño debe garantizar la máxima protección a componentes vitales como la cámara y los diferentes sensores que se a futuro se usarán [8]. Finalmente es claro que la fiabilidad entre la comunicación robot – rescatista es un aspecto bastante importante que se desarrollo en una fase previa a este proyecto pero que no se integrará [35]. Se dejará a posteriores fases del proyecto las respectivas pruebas y correcciones que optimicen el mejoramiento y puesta a punto de este ítem.

II. D

A. Metodología

Como parte del conocimiento necesario para administrar las actividades asociadas al desarrollo del robot móvil, se aplicó una metodología a fin de lograr reducciones de tiempo en el desarrollo del proyecto y reducciones en costos. Sin embargo, por la naturaleza de los proyectos industriales, estos presentan características diferentes a proyectos académicos, principalmente en tiempo y aplicación. La Figura 1 demuestra un concepto del mapa del método utilizado.

El método consiste primero en determinar las ecuaciones de la física que modelan el comportamiento cinemática de estructura del robot, a fin de evaluar la disposición y sus dimensiones para así lograr buscar la mejor dimensión del dispositivo.

El modelo de la cinemática una vez obtenido, pasa a ser evaluado. De esta forma se evalúan los parámetros cinemáticos y las dimensiones del robot. Además se determinó el tipo de mecanismo soporte de las orugas, las dimensiones de orugas y del cuerpo del robot. El paso siguiente de esta metodología consiste en diseñar y construir los sistemas que componen al robot. En esta parte, por lo general, es posible también realizar el diseño del control. Durante la fabricación y ensamble se determinó la necesidad de efectuar algunos cambios en los diseños iniciales, por lo que se modificaron algunos parámetros y dimensiones de los componentes del robot. Principalmente, los cambios estuvieron relacionados con las características de los materiales utilizados y sus dimensiones. Las nuevas modificaciones fueron puestas en ejecución para asegurar el correcto funcionamiento de los sistemas ya ensamblados. Una vez lograda la primera versión del prototipo de robot el paso siguiente de la metodología consiste en evaluar el comportamiento real del robot y comparar su funcionamiento con los modelos matemáticos. Esta última tarea tiene como finalidad modificar y mejorar los modelos usados para diseñar el robot y de esta forma conseguir un mejor entendimiento del comportamiento real que presentan este tipo de estructuras.

III. R

El producto del proyecto se muestra en la figura 2 implementado sobre acrílico (materia del prototipo) con tres moto-reductores, uno que controla la oruga derecha, uno que controla la oruga izquierda y un tercero que

mueve las palancas, para garantizar en conjunto la capacidad de superar obstáculos de tipo rocoso teniendo en cuenta que las rocas, ladrillos paredes colapsadas y semi-colapsadas, fragmentos de concreto madera y demás, no superen alturas por encima de un 1/3 de la longitud de robot ni un grado de inclinación de más de 45 grados de la línea imaginaria formada entre la esquina superior del obstáculo y el eje de las ruedas delanteras.

El cálculo de los centros de masa del robot es esencial para el análisis (cinemática) del movimiento resultante de la estructura al momento de probarla sobre obstáculos enfrentados bajo ángulos de condición aleatoria. Estos centros de masa son mostrados en la figura 3.

Figura2. Implementación de la estructura sobre acrílico.

Figura 3. Ubicación aproximada de los centros de masa.

El cálculo de la potencia necesaria del motor para mover el robot garantizando los requerimientos antes mencionados se realizó teniendo en cuenta que el robot está en marcha sobre una superficie con grados de inclinación como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Fuerzas sobre el robot en una superficie con inclinacion 45 grados.

Tabla 1 coeficientes de fricción

Las ecuaciones que rigen el sistema son:

Como entonces queda la siguiente manera

luego de reemplazar .

Fuerza del sistema en una superficie de inclinación de 45 grados:

En una superficie de contacto de concreto seco donde = 0.8 con una grado de inclinación de = 45 grados las ecuaciones dan:

Se divide por el número de motores para saber el torque de cada motor. Por otro lado se dimensionaron los motores bajo el cálculo de cajas reductoras permitiendo potencias y tamaños de los mismos adecuados a la estructura.

IV. C

Este tipo de estructura permite a los robots operar de manera eficaz y adaptarse a las situaciones planteadas por los requerimientos.

Ésta estructura puede usarse en todo tipo de misión que se pueda encontrar; como busca minas, para grupos de asalto, desactivar bombas, grupos de rescate, etc. Las experiencias documentales demuestran que el uso de la robótica ha sido de gran beneficio para las misiones planteadas por éste documento.

Un punto muy importante para concluir es que la escogencia de los motores a utilizar es la parte fundamental de la locomoción ya que tiene que tener una potencia y el torque adecuados para poder desenvolverse en los diferentes tipos de terrenos.

V. R

[1] A. Díaz, X. Serrano. «Robot contra minas antipersona». [en línea], mayo 2006, disponible en: http://www.universia.net.co/ noticias/noticia-del-dia/robot-contra-minas-antipersona.html [2] N. J. Rátiva. «Firebot: Un bombero electrónico para Colombia». [en línea], agosto 2007, disponible en: http:// www.universia.net.co/galeria-de-cientificos/noticias-de-la- ciencia-en-colombia/firebot-un-bombero-electronico-para-colombia.html

[3] E. González. «Diseño y construcción de un robot móvil para la reconstrucción 3D de interiores». [en línea], http:// www.eis.uva.es/amuva/proyecto/proyecto.htm [4] Foster-Miller. http://www.neoteo.com/Portals/0/imagenes/ cache/40C7x1500y1500.jpg. [5] http://www.militaryimages.net/photopost/data/594/ TEODOR_-_2.jpg [6] http://www.xconomy.com/wordpress/wp-content/images/ 2007/10/packbot.jpg

[7] C. Chang, A. Brando, C. Castillo. «Róbotica para rescate y salvamento». Universidad Simón Bolívar, Venezuela, [en línea], 2003, disponible en: http://www.gia.usb.ve/es/proyectos/rescate

[15] https://robotics.ucmerced.edu/Robotics/papers/UC MercedTDP2008.pdf [16]http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url= h t t p % 3 A % 2 F % 2 Fi e e e x p l o r e . i e e e . o r g % 2 Fi e l 5 % 2 F7756%2F30432%2F01401846.pdf%3Farnumber %3D1401846&authDecision=-203 [17] http://tkollar.csail.mit.edu/TK/Publications/mabel2003.pdf [18]http://www.ri.cmu.edu/pub_files/pub4/kantor_george _a_2003_2/kantor_george_a_2003_2.pdf [19] http://www.robotfrontier.com/papers/griffon-article.pdf [20] http://www.robotfrontier.com/papers/SPIEUGV.pdf [21]http://www.robosoft.fr/img/data/iRobot_PackBot510 _EOD.pdf [22] http://www.engadget.com/tag/Packbot/ [23] http://www.isd.mel.nist.gov/research_areas/research_ engineering/Performance_Metrics/PerMIS_2002_Proceedings/ Frost_Norman_Pratt_Yamauchi.pdf [24] http://www.nada.kth.se/~johnf/Coyote.pdf [25] http://www.irobot.com/filelibrary/pdfs/gi/robots/iRobot_ PackBot_RedOwl.pdf [26] http://www.dtic.mil/cgi-bin GetTRDoc?AD=ADA490457& Location=U2&doc=GetTRDoc.pdf [27] http://www.physorg.com/news11166.html [28] http://news.softpedia.com/news/Shock-In-The-Robotic- Industry-iRobot-Helps-Army-Deploy-PackBots-Killing-Machines-68512.shtml [29] http://www.mondial-defence.com/Products/Individual_ Products/PACKBOT.html [30] http://www.uvs-info.com/pdf/UGV-Datasheets/iRobot _USA_Accessories_1.30.08.pdf [31]http://defensereview.com/1_31_2004/iRobot%20 PackBot%20Tactical%20Mobile%20 Robot%20 Brochure.pdf [32] http://www.stc.org/PDF_Files/myjob/benDay.pdf [33] http://www.ieee-secon.org/2004/secon04-poster-ho.pdf [34] http://www.cbrneworld.com/pdf 07 _winter_Its %20not %20what.pdf

[35] J. A. Collazos, J. León, N. Torrente. «Robot para apoyo en labores de búsqueda y rescate Fase 1: tecnología de comunicación». Universidad El Bosque, septiembre 2007.

Artículo tipo 1, Artículo de investigación científica y tecnológica. Los autores declaran no tener conflicto de interés.

Los autores:

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Ingeniero electrónico, Universidad El Bosque, Bogotá D.C..

Carrera 7 B Bis 132-11, Edificio El Campito, piso 2. [email protected]

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