Diseño y construcción de una máquina lanzadora de balones de dos grados de libertad para contribuir en el entrenamiento de arqueros de fútbol, utilizando lanzamiento automático controlado mediante visión artificial.

Abstract

En el presente trabajo de titulación se realiza el diseño y construcción de una máquina lanzadora de balones de dos grados de libertad con el objetivo de mejorar las habilidades de los arqueros de fútbol, utilizando visión artificial para poder identificar la distancia a la que se encuentra la máquina del portero a través de algoritmos disponibles en OpenCV. Por medio de la investigación previa de los sistemas de propulsión existentes en máquinas en el mercado, se optó por un sistema de doble rodillo giratorio para impulsar el balón, debido a sus características destacadas frente a otras configuraciones. Para el diseño se estudió los requerimientos y funcionalidades de la máquina para posteriormente realizar un modelado CAD/CAE usando el software SolidWorks estudiantil que permita bosquejar el proyecto y determinar la factibilidad de posicionamiento de estructuras y componentes. En el eje horizontal de la máquina se estudió los mecanismos usados comúnmente en máquinas similares, pero debido al alto costo de los mismos se decidió optar por un mecanismo de catarina-cadena que cumple con las mismas condiciones, pero a un costo considerablemente menor. A partir del modelado CAD previo de la máquina se validó el diseño de los ejes por medio de simulación de elementos finitos (MEF) en SolidWorks Simulation que es un método altamente utilizado para analizar diseños en ingeniería. El algoritmo de visión artificial fue implementado y compilado con OpenCV en Python 3.8, entre los detectores más robustos se eligió el método de HOG (Histograma de Gradientes Orientados), obteniendo alta eficiencia en la detección del portero a distancias cortas y lejanas. La librería TKINTER hizo posible el diseño de una interfaz gráfica que permite al usuario visualizar las instrucciones de uso de la máquina, calibración de la cámara y elegir el número de balones a disparar juntamente con el modo de entrenamiento. Por último, se realiza la validación de la hipótesis por medio de la prueba de Chi –Cuadrado el cual permitió afirmar que la máquina propuesta si permite mejorar las habilidades del arquero de fútbol.