HullBUG incrementa en 10 km/h la veloci-dad de los barcos.

Un robot, especialmente diseñado para la tarea, limpia las capas de algas y moluscos de la parte sumergida del casco de un barco. La selección de los motores adecuados para este vehículo, que funciona con baterías y de forma autónoma, fue un paso importante en su desarrollo.

Las capas de algas y moluscos se acumulan durante años en muchos barcos grandes. El llamado “fou-ling” reduce considerablemente la velocidad del barco. Para contrarrestar este proceso de deposición, las superficies inferiores del casco de los barcos se recubren con tóxicas capas de barniz. Este procedimiento no es precisamente respetuoso con el medio ambiente, ya que la pintura segrega constantemente cobrey otros metales pesados en el hábitat subacuático, dañando a los organismos que allí viven. Por si fuera poco, la pintura debe ser decapada por granallado y renovada cada diez años. Durante este proceso se originan toneladas de residuos tóxicos. El HullBUG, con la ayuda de una herramienta de rascado, elimina las capas de algas y moluscos de forma eficiente y respetuosa con el medio ambiente.

Un barco que navega con una superficie del casco limpia es mucho más eficiente, permitiendo así un ahorro de hasta un cinco por ciento en los costes de combustible. Además, un barco grade puede incre-mentar hasta 10 km/h su velocidad mediante una limpieza eficaz. Una vez desaparecido el problema con las capas de biocombustible, es posible optimizar el recubrimiento subacuático, concentrándose en la protección anticorrosiva. Si este método se aplicara en todos los barcos que operan actualmente a escala mundial, el ahorro energético alcanzado podría contribuir considerablemente a la reducción de los gases de efecto invernadero. Para evitar el empleo permanente de barnices tóxicos se buscó un método que fuera capaz de eliminar eficazmente las algas y moluscos en la parte inferior del casco de un barco. De

estas reflexiones surgió el concepto del HullBUG (Hull Bioinspired Underwater Grooming)
. “La principal característica del HullBUG es su reducido tamaño”, explica el Dr. Kenneth Holappa, Ingeniero de inves-tigación de SeaRobotics. El robot solo tiene cerca de medio metro de largo. Este era un criterio de diseño necesario para que el vehículo pudiera maniobrar sobre la superficie curva del casco del barco sin perder el contacto con ella. Debido a que el empleo de tales aparatos subacuáticos conlleva riesgos y a que HullBUG podría extraviarse en un entorno portuario o resultar destruido durante su operación, un criterio importante fue el de mantener reducidos el tamaño y los costes del aparato. Por ello, una reducida masa y bajos costes fueron factores determinantes previos para la realización del proyecto HullBUG de forma satisfactoria. Estos requisitos especiales de tamaño y peso repercuten en la selección de los componentes técnicos del HullBUG.

Componentes del controlador de movimientos

A la hora de escoger los motores para el HullBUG entraron en juego una serie de restricciones y requisitos para su construcción. De esta manera, SeaRobotics se decidió por la fabricación de dos modelos básicos, uno con ruedas y otro con orugas. Para el dimensionado de los motores fue necesario calcular, por ejemplo, los valores nominales de potencia, velocidad de giro y par de los aparatos finales. Fue preciso tener en cuenta, entre otras cosas, la resistencia ocasionada al empujar la herramienta de rascado sobre el casco del barco, la resistencia hidrodinámica del vehículo durante su desplazamiento por el agua, las pérdidas por fricción en los retenes de los ejes, los cuales protegen a los motores del agua salada, así como – dependiendo de la versión – el rozamiento de las ruedas o las orugas.

“Después de una intensiva búsqueda de información, nos decidimos por emplear motores y reductores de maxon motor”, dijo Holappa. “Estos motores no solo ofrecen una solución económica, sino que también son extremadamente eficientes y muy fáciles de instalar”. La empresa se decidió por los motores EC planos con reductor planetario. En la versión con orugas del HullBUG se emplean dos (EC 45 flat y GP 42 C) y en la versión sobre ruedas, 4 motores.

Un motor EC 45 adicional está integrado en la herramienta de rascado del robot. Este motor está combinado con un sencillo reductor de engranajes rectos. Para el accionamiento del sistema de succión que mantiene el HullBUG en la parte inferior del casco del barco, se emplea un potente motor EC 90 plano.

maxon motor ofrece una amplia gama de motores de corriente continua con rotor sin hierro y motores sin escobillas con tamaños desde 6 mm hasta 90 mm y potencias de 30 mW a 500 W. “La extensa gama de productos y la alta calidad de sus servicios nos proporcionaron la certidumbre de haber elegido al socio adecuado”, añade Holappa. Los motores fabricados por maxon motor ofrecen una larga vida útil en com-binación con dimensiones reducidas. Toda la serie de motores EC sin escobillas está conmutada eléctri-camente. Esto garantiza una vida útil del motor extremadamente larga, ya que no existe desgaste. Los motores seleccionados se diseñaron especialmente para aplicaciones robóticas, en las que el tamaño y el peso representan los criterios centrales de selección. Los motores EC 45 planos seleccionados para el HullBUG funcionan con extrema eficacia y pesan solo 75 gramos cada uno. Los seis motores EC planos proporcionan una potencia de salida de más de 30 W. La especificación más importante para esta aplica-ción era el par. Incluso en las hostiles condiciones ambientales en las que es posible emplear el HullBUG, el EC 45 suministra un máximo par continuo de hasta 56 mNm, dependiendo del bobinado seleccionado. Holappa explica: “La gran capacidad de carga de los reductores GP 42 permite montar directamente las ruedas en los ejes, lo que reduce considerablemente la complejidad del diseño total”.

Los reductores fabricados por maxon están disponibles con numerosas relaciones de reducción dife-rentes, para proporcionar una reducción de la velocidad de giro o una multiplicación del par, dependiendo de la aplicación. De acuerdo con la especificación que requería que el vehículo HullBUG funcionara de forma completamente autónoma, fue preciso diseñarlo de manera que pudiera funcionar varias horas con baterías. Los cables solo servirían para dificultar los trabajos de rascado. Para alcanzar una máxima duración de la carga de las baterías, el rascado de las algas y moluscos debe realizarse de la forma más eficaz posible.

Navegación inteligente
Con un sistema de navegación aleatorio, como el que se emplea por ejemplo en un cortacésped eléctrico, el trabajo se llegaría a completar, pero no con la suficiente rapidez. Además, en la mayoría de los casos una gran superficie del casco del barco está sumergida, alcanzando a menudo más de 3000 metros cuadrados. Para mantener limpia esta superficie es preciso emplear simultáneamente varios vehículos HullBUG. Para ello es necesario un sistema que garantice una sofisticada y coordinada navegación. Con tal fin se desarrolló un set de diferentes modos de navegación, los cuales hacen posible que varios HullBUG limpien un barco eficazmente. Para ello, la superficie sumergida del casco del barco se divide en áreas. Se han integrado numerosos algoritmos para limpiar el barco paso por paso. Para garantizar una eficaz limpieza de la parte inferior plana del barco se han empleado algoritmos adicionales y los correspondientes sensores. Además, existe la posibilidad de controlar el HullBUG mediante el Miniature Acoustic Ranging Sonar (MARS).

A tal efecto se desarrolló expresamente un sonar de corto alcance con un haz emisor concentrado, con
el que el vehículo puede “ver” cantos u obstáculos sobre la superficie. Otro tipo de navegación posible emplea sistemas micro electromecánicos de sensores (MEMS) para informaciones de navegación. Otro modo de feedback utiliza odometría basada en encoders, la cual sirve para determinar la posición de un sistema móvil en función de los datos de su sistema de accionamiento. A tal efecto se usan feedbacks de sensores desde el motor para calcular el trayecto. Debido a su reducido tamaño, así como por motivos de economía, se emplearon los sensores Hall del motor en vez de encoders ópticos adicionales. Los sensores Hall para la medición odométrica, junto con la combinación motor/reductor seleccionada, ofrecen una exactitud de menos de un milímetro.

Desarrollo continuado de software
Una vez seleccionado e implementado un sistema adecuado para el control de movimientos de un vehículo autónomo, el software continúa acaparando una gran parte de las tareas de desarrollo. Uno de los grandes desafíos del equipo de desarrollo fue el de elaborar una maniobra de navegación que fuera fiable, funcionara sin dificultades e hiciera posible un preciso posicionamiento incluso en condiciones ambientales especiales. Fueron necesarias varias programaciones para poder reaccionar a las múltiples y diferentes situaciones que pueden surgir durante el transcurso de la limpieza del casco. La parte más difícil de este complejo sistema fue la correcta organización de la lógica de control, que debía hacer posi-ble una ampliación del comportamiento de navegación.

“Incluso después de años de duro trabajo que ya se han invertido, sigue fluyendo una gran cantidad de esfuerzo en el desarrollo de software”, explicó Holappa. “Aunque el vehículo es completamente operativo, es necesario realizar exhaustivos ensayos en barcos”. Actualmente, el vehículo debe cumplir sus tareas con condiciones adversas y en terreno no cartografiado. Además, debe ser capaz de regresar a la superficie del agua para su recuperación. Aunque esto suena como una tarea extremadamente difícil, Holappa es optimista: “Hace poco, un técnico recibió formación acerca de esta aplicación, consiguiendo dominar el aparato en un tiempo mínimo. Se usó la interfaz de usuario de la serie de productos Unmanned Surface Vehicle (USV) de SeaRobotics. Tiene una superficie gráfica intuitiva, la cual ya ha demostrado su eficacia en cientos de horas de funcionamiento para muchos clientes diferentes”. El vehículo es apto para el funcionamiento y el software funciona. El siguiente objetivo será la estructuración de la interfaz para hacer que el manejo del sistema HullBUG sea más fácil y que pueda ser también operado por personal sin formación técnica específica.

 © maxon motor ag

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