Premisa 1: sencillez en el diseño orientado a la posterior industrialización - utilización como única forma el cuadrado y el cubo o cubo extendido.
Premisa 2: módulos cerrados estancos y sin juntas, sin comunicación física entre el exterior y el interior de los módulos:
Utilización de carga inalámbrica de las baterías
Transmisión de la energía entre módulos de forma inalámbrica
Premisa 3: Sistema de tracción mediante eje magnético virtual, motores internos de bajo coste, sin agujero en el modulo para la salida del eje del motor hacia los elmento de tracción exteriores "ruedas, palas para agua o arena, garras"
PREMISAS DE DISEÑO - PROBLEMAS A RESOLVER - Proyecto CRANC
PROBLEMAS A RESOLVER:
Problema 1: Diseño mecánico/fabricación: Complejidad de fabricación de moldes para la industrialización, complejidad en la fabricación por inyección. Elevado numero de piezas distintas.
Problema 2: Sistemas de energía, baterías y programación de los chips: Utilización de justas para la estanqueidad dado a la necesidad de acceder a elementos del interior del robot en su día a día en explotación. "Carga de energía, programación o reprogramación del firmware"
Problema 3: Sistemas de tracción: Motores de elevado coste para que resistan el contacto con el agua, o motores interiores y salida del eje al exterior con la necesidad de una comunicación interior exterior mediante eje que tendrá que ser estanca.
Iterando desde los primeros bocetos, y en cada evolución
La linea conductora entre las distintas evoluciones, utilizando las premisas base para la resolución de los problemas encontrados antes del comienzo de la ejecución de la idea, tratando de partir del robot Emme con sus ventajas en inconvenientes, ha sido la futura pre-industrialización y las pruebas de campo en entornos reales.
Al ser una malla de robots o balizas la base del sistema propuesto, para las pruebas ya sean el nuestras instalaciones, en la mesa del barco en el que tambien desarrollamos, en el mar, o en el puerto de Alicante, siempre necesitamos varias unidades del robot o baliza propuesto.
El tener que fabricar, montar, cablear y configurar cada vez varias unidades, hacen que la propia concepción de un prototipo sea una desventaja para el avance, ya que si dicho prototipo no tiene ciertas características que faciliten su fabricación y uso, no podemos en plazo fabricar las unidades suficientes para probar la malla completa.
El motivo de tener que poder clonar los prototipos, es el responsable de haber tenido que evolucionar por tres veces el tipo de robot o baliza a construir, con los consiguientes esfuerzos en diseños, iteración, fabricación y montaje.
El hecho de haber iterado en cada evolución, y evolucionado en cada una de ellas, ha servido para interiorizar una nueva forma de diseñar y fabricar robots que desde la evolución tercera, es mucho mas rápida y permite la clonación "fabricación de pre-series de forma manual" en un plazo relativamente corto.
También desde la evolución tercera, al ya estar marcado como diseñar de forma rápida cumpliendo con unas premisas que en este momento ya son conocidas, ha sido la consecuencia de que la evolución cuarta que esta realizada después del plazo de la convocatoria, no ha sido necesario tomar decisiones nuevas de como hacer un robot destinado a ser parte de una malla. Solo hemos tenido que diseñar su "cuerpo" su modulo cerrado y estanco, para el tamaño de robot buscado, teniendo en cuenta su peso/tamaño final y los motores/baterías necesarios para que se mueva tanto fuera como dentro del agua.
En la evolución cuatro ya solo desarrollamos, no innovamos, ni inventamos, ya que esto se consiguió en los tres trimestres anteriores, el previo al plazo oficial "primer trimestre" y los dos trimestres del plazo oficial de ejecución de la convocatoria.
Solo utilizamos cubos, la modularidad es excesiva, tenemos demasiados cubos. Eso conlleva muchas uniones entre ellos, que aunque son sencillas ya que utilizamos imanes de neodimio de alta calidad y potencia, tantas módulos y uniones aumentan exponencialmente los costes, tiempos de montaje y tiempos de fabricación. Al quedar la electronica distribuida en los distintos módulos: baterías, gestión de la energía, carga, sensores, control, tracción, etc la complejidad y coste de transmisión de las comunicaciones y la energía entre módulos es inviable.
Conseguido:
simplificar la fabricación mediante formas geometrías sencillas
union entre módulos de forma magnética
transmisión de la energía de forma inalámbrica entre módulos.
transmisión de las comunicaciones de forma inalámbrica entre módulos
Por resolver:
reducir el número de módulos
simplificar el sistema de anclaje de los imanes dentro de los módulos
integración de la electrónica por capas configurables en el interior
reducir el número de puentes de transmisión de energía inalámbrica entre módulos
EVOLUCION PRIMERA EV1
Un robot es la union de dos elementos rectangulares configurando una "T":
Módulo longitudinal:
Sistema de energía: baterías, captación de energía inalámbrica para carga, ajuste de voltages, cargador.
Sistema de transmisión de energía hacia el otro modulo
Sistema de comportamiento
Sensores
Módulo transversal:
Sistema de energía: captación de energía inhalambrico, distribuidor de voltaje a motores y a electronica.
Electronica de control de los motores
Sistema de comportamiento de los motores
Medición de consumo
Motores
Sistema de transmisión magnética mediante eje virtual
Conseguido:
Solo dos módulos
Sistema de anclaje magnético configurable mediante plantilla
integración de la electrónica por capas configurables en el interior mediante plantilla
solo dos puentes de transmisión de energía uno para cargar el modulo de baterías, y el otro para desde ese modulo alimentar el transversal donde van los motores
Por resolver:
Potencia insuficiente para la tracción, las transmisión de energía funciona pero los motores necesitan mucha mas intensidad de la que llega
modularidad en la configuración de los distintos sensores para cada robot, intercambiar el modulo de sensores, implica intercambiar el modulo de baterías ya que están juntos en la parte longitudinal del robot.
EVOLUCION SEGUNDA EV2
Sistema de tracción por eje virtual magnético, transmisión de energía a modulo longitudinal por cable - transmisión de energía a modulo de motores de forma inalámbrica. Sistema de comportamiento básico sin toma de decisiones
Robot Mediano - Evolucion 2 - Proyecto CRANC - Ports 4.0
Robot Pequeño - Evolución 2 EV2 - Proyecto CRANC - Ports 4.0
Prueba del firmware de control para ruedas mixtas y motores paso a paso medianos sin reductora
Robot pequeño Ev2 - Proyecto Cranc - Ports 4.0 - Problemas en garra izquierda
Prueba de tracción con alimentación del eje transversal por puente de energía, el sistema de tracción exterior izquierdo "rueda cuadrada con dos garras" no gira, finalmente se comprobara que hay que cambiar la forma del cableado ya que las soldaduras de conexión a pcb se parten los hijos de cobre.
El chip de comportamiento y control de motores esa alimentado por USB para hacer pruebas desde el IDE de Arduino recibiendo datos por el cable USB y actualizando el Firmware. Se evaluaban problemas en el Firmware, falta de potencia en la alimentación inalámbrica a los motores, fallo en el eje virtual magnético por mayor rozamiento sistema izquierdo con respecto al derecho. No se evaluaba fallo en el cableado que fue el problema finalmente encontrado.
Un robot es un modulo único basado en un cubo o una parte de este. Todos los sistemas están dentro de este cubo. Los sensores están en su parte superior, si son para el agua, el robot se montaran del revés para que queden en su parte inferior. El robot es simétrico, como los sistemas de tracción estan en sus laterales esto marca como será su avance.
Los únicos elementos exteriores son los sistemas de tracción "ruedas, palas para agua o arena o garras" y la cola en los casos en que sea necesaria.
Con el diámetro de los sistemas de tracción y el uso de la cola cambiamos el Angulo de ataque y el reparto de pesos.
El uso de los módulos es mixto, es decir un robot puede ir por tierra o por agua, o si no instalas los motores es una baliza.
El hecho de ser mixto cuando esta configurado como robot, conlleva que los motores deben tener mucho mas potencia/par. Esto es debido a que el peso fuera del agua afecta en su totalidad a la potencia necesaria para moverse.
Hemos planteado la hipótesis de volver a tener robots específicos para agua, pero no le vemos ventaja, frente a la versatilidad de un único modelo de robot de uso mixto, que también facilita la fabricación, montaje y mantenimiento del futuro producto industrial.
El ser robots mixtos, con capacidad de avanzar en el agua o fuera de ella, también proporciona la posibilidad futura de que los robots entren solos dentro del agua por rampas u otros sistemas pero realmente carguen en tierra, esto sumado a que al salir puedan quitarse la sal, facilitara el mantenimiento, con respecto a permanecer permanentemente en el agua, totalmente expuestos a que "el verde, caracolillo, etc" que crece en todo lo sumergido, les afecte y estropee tanto sensores como partes móviles en muy corto plazo.
Contenido del módulo único:
Sistema de energía: baterías, captación de energía inalámbrica para carga, ajuste de voltages, cargador.
Sistema de comportamiento robot y sensores
Distribuidor de voltaje a motores y a electronica.
Electronica de control de los motores
Sistema de comportamiento de los motores
Medición de consumo
Motores
Sistema de transmisión magnética mediante eje virtual
Sensores
Elementos externos opcionales:
Sistemas de tracción "ruedas, palas de agua o arena o garras", a utilizar cuando el módulo es un robot y no una baliza
cola, a utilizar cuando la geometría del robot y/o su reparto de pesos lo requieran
Conseguido:
Simplificación máxima del diseño, re-diseño, fabricación y montaje debido a ser un módulo unico
Potencia directamente desde las baterías a los motores
Sistema de transmisión de la energía inalámbrico solo utilizado para carga, no existiendo ya la necesidad de transmitir energía entre módulos
No necesidad de unión con otros módulos, con su complejidad tanto a nivel físico "imanes" como a nivel de transmisión de la energía.
Utilización de distintos elementos exteriores, como distintos sistemas de tracción o cola en función del la zona y tipo de uso
Por resolver:
Modularidad en el intercambio de los sensores en el ciclo de vida del robot, podría ser resuelta configurando los robots como la suma de dos elementos "módulos" uno solo con los sistemas de tracción, y el otro como baliza llevando los sensores necesarios.
Solución definitiva para la estanqueidad
El sistema inalámbrico de actualización de carga del firmware de los chips no funciona de forma estable, y no podemos usar otro ya que este lo proporciona el proveedor de los servicios para programar la malla en la nube, la solución ya probada con la evolución cuarta es diseñar una nube a medida utilizar los servicios de Google. Con una nube a medida el producto final tendrá la customización adecuada y la carga del firmware no dependerá del proveedor de la nube sino de una librería de código desde el entorno de desarrollo librería que ya hemos utilizado en la evolución segunda.
El sistemas de carga inalámbrica no ha funcionado de forma estable, hemos quemado varios sistemas completos, es decir robots completos a nivel electrónica tanto en la evolución segunda como en la tercera. El problema ya ha sido localizado, la electrónica de carga una vez conectada a la electrónica de la captación de energía de forma inalámbrica colapsa y se quema. Hemos detectado que solo se quema cuando el robot esta consumiendo de forma elevada, y desconectas del cargador. La solución que ya esta probada es poner un circuito inteligente que cuando esta cargado, toda la parte de potencia/tracción esta desconectada, quedando conectada la parte del comportamiento y sensores, cuando el robot considera que ha cargado suficiente, desconectara su electrónica de la carga y activara la parte de potencia para comenzar el movimiento. Con esto quedara solucionado el problema, pero aumenta el numero de cables y componentes electrónicos, esto nos lleva a que siguientes evoluciones tendrán que tener que tener diseñados un pcb a medida que sustituya el cableado interno y facilite la conexión de los distintos módulos de electrónica: "chip", "controlador motores", "elevadores voltaje", "electrónica sensores", etc.
EVOLUCION TERCERA EV3
Robot pequeño con "ruedas" cuadradas, prueba de tracción magnética, en sistemas de tracción no circulares, con el incremento de resistencia al tener forma cuadrada. Comportamiento básico.
Robot Pequeño - Evolución 3 EV3 - Proyecto CRANC - Ports 4.0
Prueba robot mediano EV3, tres sistemas de energía en paralelo, uno para cada motor y otro para el sistema de comportamiento. Comportamiento básico.
Robot mediano evolución tercera EV3 - Proyecto Cranc - Ports 4.0
Robot Pequeño - Evolución 3 EV3 - Proyecto CRANC - Ports 4.0
Robot pequeño Ev3 con tres sistemas de tracción "tracción mixta" en cada lado conectados magnéticamente en cascada: "rueda cuadrada" "garras de 5 puntas con palas" y palas de agua. Sistema de comportamiento básico con comportamiento autónomo y comunicación de sus decisiones mediante cambio de color de sus luces internas. Prueba de tracción, gestión de la potencia necesaria para mover sistema de tracción mixto. Superficie en la prueba: vidrio "vitrocerámico"
Robot Pequeño - Evolución 3 EV3 - Proyecto CRANC - Ports 4.0
Prueba de estanqueidad mediante bolsa de congelados, el sistema de tracción magnético funciona perfecto, la parte externa de tracción desliza con normalidad. Encontramos problemas de condensación una vez finalizada la prueba.
TRIMESTRE POSTERIOR A LA FINALIZACIÓN DEL PLAZO
CUARTA EVOLUCIÓN, aplicación de lo aprendido y lo innovado a dos nuevos tipos de robos
Esta evolución se da en el trimestre posterior a la finalización del plazo de los 6 meses que se daban para la ejecución de la Idea, son los meses de Abril, Mayo y Junio, parte de esta evolución se cito como tercera evolución ampliada, que se gesto mientras finalizaba el plazo de ejecución, físicamente son fáciles de diferenciar, ya que se utiliza material color cobre.
ROBOT BUTTERFLY a escala real , evolución 4, etiquetados como F28 EV4 (por los 28 cm de ancho, distancia entre sistemas de traccion exteriores)
Los componentes mecánicos del robot Butterfly, su combinación con otros materiales en los sistemas de tracción "en este caso madera" están listos para a utilizar nuevos materiales en este caso PET. Una vez fabricadas dos unidades completas de este robot con las impresoras 3D, podremos plantearnos el coste de los moldes para un primera serie pre-industrial fabricada por inyección en los próximos trimestres.
BUTTERFLY tiene dos configuraciones a probar con respecto a al tracción mecánica debido al elevado diámetro de sus "ruedas" 60 cm:
Fase 1: utiliza una configuración es de eje desde dentro a fuera, es decir rompe la estanqueidad pero nos permite probar fuera del agua el motor y reductora adecuados sin tener que rediseñar la tracción magnética al no utilizarla.
Fase 2: una vez el conjunto motor reductora tenga fuerza suficiente para mover las "ruedas de 60 cm", se rediseñara la tracción magnética por eje virtual para poder ser estanco de nuevo y probar sobre el agua y bajo ella, será un robot mixto, que podrá funcionar fuera del agua, con la consiguiente complejidad de tener que soportar su peso cuando avanza, cosa que en el agua es mucho mas sencilla al equilibrar su flotabilidad negativa o positiva a favor del movimiento buscado
ROBOT BULL a escala real , evolución 4, etiquetados como B14 EV4 (por los 14cm de ancho, distancia entre sistemas de tracción exteriores)
Los componentes mecánicos del robot BULL están preparados también para su construcción en PET, el robot BULL intencionadamente no combina materiales y tiene una junta para la estanqueidad, junta que será retirada una vez el sistema de energía sea estable en su funcionamiento y la programación de los chips de forma inalámbrica también sea estable. BULL esta diseñado para ser de uso mixto, en tierra y en agua, sobre ella y bajo ella, BULL utiliza transmisión magnética de eje virtual,
ELECTRONICA - SIGUIENTE FASE DISEÑOS DE PCB PARA LA PRE-INDUSTRIALIZACIÓN
La electronica de control, la electronica de gestión de la energía, el sistema de comportamiento y la electroncia de captación e señales "sensores" están preparadas para la siguiente fase: diseñar los pcbs para integrar modulos OEM y desde ahí poder lanzar un serie pre-industrial de varios robots en los próximos trimestres
COMIENZA EL CAMINO HACIA PROTOTIPOS DISEÑADOS PARA LA FUTURA FASE PRE-INDUSTRIAL
