vehículo agv omnidireccional de ruedas no

VEHÍCULO AGV OMNIDIRECCIONAL DE RUEDAS NO
CONVENCIONALES. DISEÑO DEL GRUPO MOTRIZ.
Raimon Castells1p
RESUMEN
Dentro del marco industrial y de servicios, la necesidad de aumentar la flexibilidad en
una empresa se impera si ésta quiere reducir los costes de producción o de
procesos y no dejar de ser competitiva. En muchos casos es necesario incorporar
algún sistema de transporte interno como los vehículos autónomos (AGV).
En este proyecto se desarrolla un grupo motriz de innovadora morfología, con una
rueda omnidireccional formada por dos rodillos esféricos, tal que tres grupos
motrices idénticos al proyectado, montados en una plataforma, le confieren al
vehículo AGV la movilidad extraordinaria que supone el disponer de los tres grados
de libertad del movimiento plano.
Además, y debido a la no redundancia en el número de motores (3), el control de
este vehículo es sumamente sencillo, confiriéndole más autonomía en los
desplazamientos a la vez que se reduce el coste del mismo, sobretodo si se
compara con vehículos AGV de similares prestaciones.
El vehículo es modular, la masa del cual, carga incluida, puede llegar hasta 200 kg.
Así pues puede representar un nuevo modelo de vehículo AGV, pues puede
proporcionar unas prestaciones superiores a las de cualquier otra configuración,
sobretodo por lo que respeta a maniobrabilidad, control y coste.
ABSTRACT
Nowadays, within industrial and services environments, flexibility is clearly a need in
order to reduce production costs and to be competitive. In many cases, this means
introducing an internal transport system, as for example AGV (Automatic Guided
Vehicle) is.
1
Ingeniero Industrial intensificación mecánica. Departamento de R&D, Hewlett Packard.
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In this project, it has been developed a motor module. It is composed by a motor, a
transmission and an innovate kind of wheel, conformed by two spherical rollers.
Three identical modules, as this one developed here, mounted into a platform, can
deliver to an AGV, the advantages of having all three degrees of freedom on the
floor. This improves the maneuverability and mobility.
Furthermore, due to the non-redundancy of number of motors used (3), motion
control can be done more easily. Therefore, this vehicle is more autonomous and the
cost is lower than others with similar characteristics.
This vehicle is modular and its weight could be up to 200 kg (load included).
As a conclusion, it represents a new model of AGV vehicle, with an improvement of
the performance over its competitors in terms of maneuverability, control and cost.
1
INTRODUCCIÓN.
En este proyecto se desarrolla un grupo motriz de innovadora morfología, con una
rueda omnidireccional formada por dos rodillos esféricos, tal que tres grupos
motrices idénticos al proyectado, montados en una plataforma, le confieren al
vehículo AGV la movilidad extraordinaria que supone el disponer de los tres grados
de libertad del movimiento plano.
pivotamieto
ω1
radio R
θ
ω2
θ&
velocidad de
θ&
velocidad de
deslizamiento
avance motriz
Figura 21. Esquema de la cinemática del doble rodillo esférico.
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Esta rueda se presentó en la ponencia Rueda omnidireccional de doble rodillo
esférico para robots móviles.
Con este tipo de rueda, el torsor de enlace entre el suelo y la rueda permite que ésta
tenga los tres grados de libertad del movimiento plano, uno de controlado llamado
motriz, y dos de libres, el de deslizamiento y el del pivotamiento.
Los dos rodillos giran simultáneamente a la misma velocidad, tocando de forma
alternativa uno u otro al suelo excepto una zona de transición donde tocan a la vez.
El objetivo del proyecto es obtener una alternativa industrializada que permita
construir un vehículo AGV con las siguientes características:
-
3 grados de libertad, holonomia y precisión odométrica,
-
Simplicidad en el control.
-
Modularidad, tamaño, coste y mantenimiento reducidos.
El desarrollo de este proyecto ha sido posible gracias a los recursos aportados por el
CeRTAP (Centre de Referència en Tecnologies Avançades de Producció) y el
Departamento de ingeniería mecánica de la ETSEIB (Escola Tècnica Superior
d’Enginyers Industrials de Barcelona).
2
ESPECIFICACIONES
La plataforma tiene que ser modular, con los tres grupos motrices iguales, y cumplir
con las siguientes especificaciones técnicas:
Prestación
Valor
Velocidad máxima
1 m/s
Aceleración máxima
1,5 m/s2
Tiempo de giro sobre si mismo (180º con inicio y final en
2s
reposo)
Recorrido máximo en caso de frenada de emergencia.
200 mm
Pendiente máxima
10 %
Planta rectangular
900x700 mm
Masa total (vehículo + carga)
200 kg.
Tabla 11. Especificaciones técnicas de la plataforma.
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La anchura máxima le permitiría pasar por las puertas más habituales de locales
industriales, plantas de hospitales, aeropuertos...
3
SIMULACIÓN.
La simulación comprende una parte cinemática y otra dinámica. En esta última cabe
reseñar que se han considerado todas las inercias y fricciones a la rodadura y al
pivotamiento. Para este estudio se ha aplicado la teoría de Hertz del contacto
elástico entre dos cuerpos (Contact Mechanics) a partir del estudio de la huella
dejada por los rodillos esféricos en el contacto con el suelo.
Para la simulación se ha usado el programa Mathematica®. La simulación esta
escrita en formato matricial y es completamente paramétrica.
4
DESCRIPCIÓN DEL GRUPO MOTRIZ.
Se trata de un conjunto de construcción sencilla y con pocas piezas. El grupo motriz
se compone de los siguientes elementos:
-
Conjunto motor-reductor.
-
Transmisión por correa dentada.
-
Encoder para cerrar el lazo de realimentación de posición y velocidad.
-
2 rodillos esféricos.
-
Bastidor.
Conjunto
motor
Tensor
Encoder
Transmisión
por
Bastidor
correa
Rodillos
esféricos
Figura 22. Grupo motriz.
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Conjunto motor-reductor. Montado de fábrica está compuesto por:
-
Motor D.C. alimentado con rotor de baja inercia mediante pwm (pulse
width modulation) hasta 24V. Se ha comprobado mediante simulación que
térmicamente
puede
soportar
los
ciclos
de
trabajo
sin
sufrir
sobrecalentamiento (DC Motors, Speed Controls and Servo Systems).
-
Reductor epicicloidal de 2 etapas (i=28) de alto rendimiento (η>75%) y
reducido juego de engrane o backlash.
Transmisión por correa dentada. Garantiza el sincronismo imprescindible entre los
dos rodillos esféricos, ya que ambos pueden tocar simultáneamente en el suelo y no
deben girar a velocidades distintas. Tiene un alto rendimiento (≈ 95%), requiere
escaso mantenimiento y no produce excesivo ruido (en comparación con una
transmisión por engranajes).
Rodillo esférico. Esta compuesto por dos materiales, un núcleo interno de aluminio
y un recubrimiento de poliuretano de elevada dureza (92º Shore A) colado en un
molde sobre el núcleo y posteriormente mecanizado para darle la forma esférica
definitiva, con el mínimo de rugosidad superficial posible con el objetivo de
maximizar la capacidad de tracción del mismo y así evitar deslizamientos
indeseados con el suelo. El recubrimiento permite además absorber las pequeñas
irregularidades del terreno.
Este rodillo gira de forma libre respecto su eje gracias a unos rodamientos de bolas
clavados en los extremos del mismo núcleo.
Bastidor. Sirve de referencia para todos los elementos del grupo motriz para
optimizar al máximo las tolerancias de posición entre los mismos.
Encoder. Está colocado lo más cercano posible del suelo dentro de la cadena
cinemática de la transmisión para evitar introducir incertidumbres en la medida de la
posición real producidas por los juegos de la transmisión. Tiene la resolución
suficiente para posicionarse con la precisión exigida.
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5
COSTE.
El coste del grupo motriz en la fase de prototipo es el siguiente:
Coste del grupo motriz
€
Motor
646,00
Reductor
462,34
Otros
159,63
Coste de los elementos de serie
Coste del material
1267,97
98,82
Coste del proceso de fabricación
Coste de acabados
2379,53
8,71
Coste de los componentes de diseño
2487,06
Coste total
3755,03
Tabla 12.
Este precio puede bajar notablemente si le sigue un proceso de industrialización,
sobretodo si se tiene en cuenta que cada vehículo puede ir equipado con tres grupos
motrices idénticos.
6
CONCLUSIÓN.
El resultado final es la construcción de una plataforma para vehículos AGV
compuesta por tres módulos, un módulo motriz equipado con tres grupos motrices
idénticos al diseñado, un módulo intermedio que contiene la electrónica de control y
las baterías con una autonomía de 16 horas, y un módulo de servicio.
Entre el módulo motriz y el intermedio hay la suspensión formada por tres pares de
elastómeros montados encima de cada grupo motriz.
Figura 23. Módulo motriz.
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Figura 24. Módulo intermedio.
Figura 25. Módulo de servicio: silla para discapacitados.
Objetivos. Des del punto de vista de objetivos planteados al inicio del proyecto, se
consideran totalmente cubiertos:
-
La fabricación de una plataforma autónoma que cumple todas las
especificaciones funcionales, dimensionales y de modularidad impuestas
desde un principio.
-
El desarrollo de una simulación cinemática y dinámica del vehículo,
fácilmente parametrizable.
-
La viabilidad del prototipo para hacer pruebas, valorar sus prestaciones,
verificar el modelo de la simulación dinámica y explorar los múltiples
aplicaciones de la plataforma.
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Tamaño. La altura final de la plataforma, incluyendo el módulo intermedio con
capacidad para llevar las baterías y los dispositivos electrónicos necesarios para su
control de forma integrada no supera los 170 mm. Es un resultado muy satisfactorio
pues abre todavía más el extenso campo de aplicaciones que puede llegar a tener
esta plataforma.
La planta del vehículo es rectangular y los centros de las ruedas describen un
triángulo isósceles, cuyo ángulo σ se ha optimizado para maximizar la estabilidad y
minimizar el consumo energético.
σ = 105º
r2 = 282 mm
r1 = 644 mm
Figura 26. Planta del vehículo.
Cabe destacar la compacticidad con la que quedan integrados los grupos motrices
dentro de la planta regular del vehículo y la de los mismos grupos.
Ensayos. Finalmente solo queda añadir que el vehículo se ha probado en su
configuración de silla de ruedas. El control lo tiene el propio usuario mediante un
mando de accionamiento manual. Se ha probado la gran versatilidad y
maniobrabilidad que ofrece el poderse mover con los tres grados de libertad dentro
de recintos cerrados, inusual en cualquier otro vehículo AGV convencional.
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REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA.
Agulló, J. & Fortuny, G, 1998. ‘Rueda omnidireccional de doble rodillo esférico para
robots móviles’. Actas del XXIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, (2-412.98) Vol1, pp 197-202, Terrassa.
Johnson, K.L. 1996, Contact Mechanics, Cambridge University Press, Cambridge.
Reliance Motor Control, Inc. 1998. DC Motors, Speed Controls and Servo Systems.
Electro-Craft Engineering, Minnesota.
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CORRESPONDENCIA.
Raimon Castells de Monet.
Hewlett Packard Barcelona,
Avda. Graells 501, 08190 St. Cugat del Valles, Barcelona, España.
+34 93 582 25 37. [email protected]
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