Construir un seguidor de líneas profesional - Parte 1 de 5."La ingeniería es para personas que quieren cambiar el mundo"

Douglas LauffenburgerConcepto y teoría Iniciando por la forma que tendrá el seguidor, existen básicamente dos configuraciones distintas:

-Tipo diferencial: la mayoría usa este sistema pues es más sencillo de fabricar, y sirve como un "hola mundo" en esto de la robótica, sin embargo el objetivo de este proyecto es crear un robot de competencia, así pues será mejor usar la otra configuración.

Construir un seguidor de líneas profesional - Parte 1 de 5

-Tipo triciclo: más veloz y estable que el otro tipo de robots, aunque requieren de una fabricación más cuidadosa y precisión mecánica mayor. Mientras que el diferencial tiene dos motores, uno de cada lado, el tipo triciclo usa uno para generar un movimiento de tracción en el centro del robot y otro funcionara como un volante que dirigirá la trayectoria. También lo conocen como robot velocista.

Aquí hay algunas capturas de los diseños que hice a mano alzada, lo importante de esto no es la exactitud en los trazos, sino en tener un concepto previo de la forma del robot.

Me decidí por este último, debido a varios factores como la facilidad de fabricarlo, el tamaño, el material que sería usado para su construcción, etc.

Anteriormente ya había construido un robot de este estilo, pero fue poco eficiente, sin embargo de ello aprendí varios puntos que mencionare a lo largo de estos post para mejorar este robot y ayudar a aquellos que quieran construir el suyo.

Posteriormente tengo imágenes de los cálculos de física en el área de cinemática, no muy avanzados, pero nos darán una idea de las posibilidades que tendrá un robot como este.

El motor de tracción que se usara para impulsar el robot es este. http://www.pololu.com/catalog/product/999 De ahí obtuve las especificaciones de la llanta de tracción.

El coeficiente de fricción de la llanta lo obtuve por medios experimentales. Este aspecto es importante pues a mayor fricción menor perdida de energía, sin embargo requiere de un mayor torque y esto disminuye la velocidad de la llanta, por esa razón se busca el material adecuado para las llantas.

Por experiencia considerare que el peso del robot deberá estar por debajo de los 300 gr. Para ello el material de fabricación será aluminio. Si es más pesado el motor no lo moverá.

Basados en los cálculos, un robot con ese motor correrá a una velocidad de 2.3 m/s. Ahora queda por determinar el tipo de dirección del cual se pueden considerar dos tipos.

-Tornillo sin fin: mecanismo que genera un buen torque, pero disminuye considerablemente la velocidad del motor usado, y puedo garantizar que una de las principales razones de la poca rapidez de un robot así es su poca velocidad en el sistema de dirección.

-Empalme sencillo: se coloca el eje del motor directamente al sistema de dirección, para poder hacer algo así se requiere que el motor genere un torque por sí mismo que permita girar el robot, su fijación se logra con un opresor que fija un cople al eje del motor.

Tomé la segunda opción como la más correcta debido a su efectividad y simplicidad. Para saber que motor se necesita, aquí pongo una imagen de los cálculos que permiten determinar el modelo

de motor más adecuado, considerando que la línea a seguir será de 20 mm y la vuelta más critica es un Angulo recto, es decir un giro de 90 grados que deberá alcanzarse en 8 milisegundos.

Conclusiones -La configuración del robot será tipo triciclo. -Su peso no debe sobrepasar los 300 gr. -La velocidad máxima es de 2.3 m/s, esto puede variar según los aspectos mecánicos y electrónicos. -Los motores a usar serán dos micro reductores marca pololu de relación 10:1 hp.

Construir un seguidor de líneas profesional - Parte 2 de 5.

Diseño mecánico Lo primero y más importante es cuidar las dimensiones que el reglamento establece. 250 mm de largo máximo.

El robot está constituido en su totalidad por 53 piezas, entre tornillos, tuercas, separadores, etc. La mayor parte está fabricada de aluminio, a excepción de las llantas que son de caucho, los tornillos y tuercas de acero inoxidable, y por supuesto la placa del circuito que está hecha de baquelita con cobre, además de otras pequeñas partes de plástico.

A continuación mostrare algunas de las partes que conforman el sistema mecánico con su respectivo costo, así se ira formando un presupuesto, y al final del proyecto daré a conocer el costo total.

NOTA: Los precios indicados de aquí en adelante los pondré en dólares (EUA) para que puedan darse una idea más general del costo de algunos materiales.

Los dos motores usados son ambos de este modelo. Cuesta 15.95 dólares.

Uso un braket para el motor de dirección como este. Cuesta 4.99 dólares.

Cuatro sensores infrarrojos. Cuesta 2.49 dólares.

Dos baterías de polímero de litio. Cuesta 10 dólares.

Un juego de engranes. Cuesta 14.50 dólares.

El resto de las piezas son partes de reusó, de computadoras, juguetes, etc. Estas piezas serán fabricadas por mí, pues requieren adecuarse a las dimensiones del robot. Además en SolidWorks puede verse también el peso calculado del proyecto ensamblado, y estos resultados fueron los que arrojo.

Conclusiones -El peso se estima en 260 gramos. -Los materiales varían entre aluminio, acero inoxidable, plástico e incluso madera. -90 dólares fue aproximadamente lo gastado en esta sección.

Construir un seguidor de líneas profesional - Parte 3 de 5.

Diseño electrónico Esta es una vista general del circuito de control usado para el robot. El cual esta dividido en 3 partes principales.

Etapa de regulación de voltaje Aquí es de mucha importancia asegurarse que la corriente generada por el regulador sea la suficiente, también se debe tomar en cuenta que debido al uso de motores siempre se requiere de capacitores que eviten una disminución de voltaje repentina. Para descargarlos y evitar fluctuaciones al apagar el circuito conecto el switch de apagado a una resistencia para descargar el capacitor rápidamente.

Etapa de control Para poder leer los sensores se requiere de un convertidor analógico-digital, una vez obtenida la señal esta debe ser retenida (esto es de mucha ayuda pues de perder la línea a seguir, el robot sabrá hacia que dirección girar para recuperar la trayectoria). Básicamente se requiere un circuito con memoria, y aunque podría hacerse con algunos comparadores y un flipflop, es mejor recurrir al uso de un microcontrolador, pues de este modo dependiendo el programa grabado en el pic, el robot podrá correr en distintos tipos de pista sin necesidad de cambiar el circuito.

Etapa de potencia Para el motor de dirección se usa un puente H en circuito integrado, y para el motor de tracción un transistor, este último tiene una velocidad variable, la cual se determina a través de un PWM (modulación por ancho de pulsos) señal generada por el microcontrolador y variable por medio de un potenciómetro. No hay que olvidar los diodos de protección para corrientes generadas debido al movimiento de los motores y los capacitores cerámicos disminuyen el ruido eléctrico.

Por otro lado en esta imagen se muestra parte del código usado para programar el Pic. Su labor es simple, el motor de dirección siempre se está moviendo pues reacciona al último dato leído por los dos sensores del centro. los otros dos sensores exteriores indican sobre qué fondo se encuentra el robot, así podrá funcionar en una pista mixta, con fondo tanto negro como blanco.

Los componentes para la construcción son los siguientes. (Los precios indicados son por unidad.Regulador de voltaje variable de hasta 3 Amper. LM350Costo 0.50 dólares.

Transistor modelo TIP12Costo 1.00 dólares

Microcontrolador 16f818Costo 2.50 dólares

Puente H modelo TC4424Costo 2.00 dólares

Resistencias eléctricas variasCosto 0.1 dólares por 5 unidades

Capacitores electrolíticosCosto 0.5 dólares varía según su valor.

Capacitores cerámicosCosto 0.1 dólares

Resistencia variableCosto 0.5 dólares

Leds

Costo 0.2 dólares

Diodo rectificadorCosto 0.2 dólares

Cristal de 20 MHzCosto 0.5 dólares

Push botónCosto 0.1 dólares

Placa fenólica de doble caraCosto 1.20 dólares

HeadersCosto 0.1 dólares la tira de 20

SwitchCosto 0.1 dolares

Conclusiones-El comportamiento del circuito es modificable por programación-La corriente máxima que consume el circuito es de 1.7 Amper.-El costo oscila entre los 15 y 20 dólares.

Construir un seguidor de líneas profesional - Parte 4 de 5.

Fabricación y ensamblado Primero procedemos a fabricar las piezas del robot, que en su mayoría aunque fueron compradas, las otras partes las conseguí de cortar una lámina de aluminio con un dremel.

Algunas partes se unieron con pegamento epóxido para mantener una firmeza aceptable, ya que de haber partes flojas el robot podría dañarse.

Y para los trabajos de mayor precisión usé una prensa para taladro, que en conjunto con el dremel es una buena herramienta de fabricación.

Posteriormente pinté varias partes de color plateado que había diseñado para el robot, utilicé pintura en aerosol de esmalte.

Las partes en conjunto se ven así.

Una vez ensamblado, el prototipo mecánico es este.

Siguiendo con la parte electrónica, empezamos con las impresiones de circuito y las placas de fenólicas.

Pasamos por calor la tinta a las placas fenólicas, y corregimos con un marcador permanente de existir algún error.

Después de ponerlas en cloruro férrico, las lijamos y perforamos con el dremel.

Colocamos los componentes y soldamos.

Agregamos la placa de circuito a la parte mecánica, conectamos algunos cables y pesamos el prototipo terminado.

Como podemos notar, su peso es de 274 gramos, no muy lejos de los 260 gramos simulados en SolidWorks y menor a los 300 gramos calculados.

Veamos el resultado.

Conclusiones-El peso del robot es de 274 gramos, dentro del límite.-Sus dimensiones son las mismas a las calculadas. (24cmx17cmx7.5cm)-No se necesitó realizar grandes modificaciones al diseño original.-Lo nombré como Fenix 2, pues ya había hecho uno antes, pero desafortunadamente no tengo imágenes del primer Fenix.

Construir un seguidor de líneas profesional - Parte 5 de 5.

Pruebas en pista Disculpen si la resolución no es la mejor, pero a falta de una mejor cámara que se puede hacer.

AQUÍ VA EL VIDEO

link: http://www.youtube.com/watch?v=VMkHghRkOvg&feature=youtu.be

Conclusiones -El robot alcanza 1.3 m/s sin salir de la línea. -El mayor inconveniente es la poca fricción entre las llantas y la pista. -Este proyecto puede mejorarse cambiando el material de fabricación de las ruedas.

Las 3 leyes de Robótica de Asimov.

Las Tres Leyes de la Robótica de Asimov aparecen formuladas por primera vez en 1942 en el relato El círculo vicioso de Asimov.

Ley CERO: En 1985, Asimov publicó un relato en la que uno de sus robots se ve obligado a herir a un ser humano por el bien del resto de la humanidad. Surge así una nueva ley, considerada la Ley Definitiva, la llamada Ley Cero, superior a todas las demás: "Un robot no puede lastimar a la humanidad o, por falta de acción, permitir que la humanidad sufra daños". Quedando así modificada la primera ley: "Un robot no debe dañar a un ser humano, o permitir, por inacción, que un ser humano sufra daño, a menos que tal acción viole la Ley Cero".

1. Un robot no puede causar daño a un ser humano ni, por omisión, permitir que un ser humano sufra daños.

2. Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, salvo cuando tales órdenes entren en conflicto con la Primera Ley.

3. Un robot ha de proteger su existencia, siempre que dicha protección no entre en conflicto con la Primera o la Segunda Ley.