Laboratorio de Sistemas Digitales Departamento de Tecnología electrónica

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicaciones

MMMMICROINSECTOICROINSECTOICROINSECTOICROINSECTO

CAPAZ DE CAMINAR

Pedro J. Parada ParienteRaúl Parada Pariente

Guillermo Carmona Puga

1. INTRODUCCION

Para comenzar esta memoria vamos a comentar como surgió la idea de realizar como práctica de sistemas digitales un microinsecto capaz de mantenerse en equilibrio y caminar.

En un principio estabamos interesados en realizar la práctica con el microbot, pues nos parecía más interesante, o por lo menos más atractivo que realizar la práctica con la promax.

El problema fue que el número de microbots disponibles era muy pequeño y nos

quedamos sin él. Como continuábamos sin querer hacer la práctica con el microinstructor nos

propusimos plantear una práctica que aspirase a matrícula de honor, y aprovechando que habíamos oído hablar, gracias a Internet, del nitinol, se nos ocurrió realizar el montaje de un insecto mediante el uso de dicho material, gracias a la propiedad de éste de encogerse cuando aumenta su temperatura.

De esta forma conseguimos dos objetivos: -No tener que trabajar con motores. -Descubrir el funcionamiento de un material nuevo e interesante. Por tanto propusimos montar totalmente un robot a partir de la nada y usando

materiales totalmente asequibles para nosotros, siendo el alambre de nitinol el único material que deberíamos de comprar.

Dicho robot debe conseguir, siempre dentro de las limitaciones que nos impone el

hilo, caminar hacia delante. Puesto que vamos a trabajar con un material prácticamente nuevo voy a pasar a

realizar una pequeña descripción de dicho alambre:

2. INTRODUCCIÓN AL NiTiNOL: Los alambres musculares están fabricados en base a metales de forma. Estos metales tienen la propiedad de poder cambiar de forma según su temperatura. Pudiendo ser entrenados para adoptar diferentes formas y generar movimientos al producirse un cambio en su forma. Los Alambres Musculares están especialmente fabricados para generar movimientos lineales, cortos y rápidos.

2.1 Teoría de los metales con memoria de forma: Analicemos la estructura molecular de los metales con memoria de forma. Estos metales poseen dos estructuras o fases cristalinas muy distinguibles. El estado o fase en que se encuentre dependerá de la temperatura o fatiga del material. Puede encontrarse en dos fases: - MARTENSITE: Correspondiente a bajas temperaturas. - AUSTENITE: Para altas temperaturas. Las propiedades de estos materiales dependen de la cantidad de cristales que se encuentran en una de las dos fases. La aleación más utilizada es la de Niquel-Titanio (de ahí su nombre), en proporciones iguales, es decir con la misma cantidad de átomos. Analicemos la estructura atómica de una aleación de Niquel-Titanio.

α b a c baja temperatura alta temperatura

En el ciclo de baja temperatura la red formada por los puntos a, b y c poseen largos diferentes. Al aplicarle presión a la estructura, las dimensiones de a, b y c cambian compensando la presión aplicada. El ángulo α también cambiará dependiendo de la carga aplicada. Esta elasticidad permite que el material pueda ser deformado fácilmente. Siempre y en cuanto no se supere una carga máxima que pueda dañar indefinidamente el material. El ciclo de cambio de fase posee histéresis. El ciclo posee cuatro puntos importantes, un punto de inicio donde el material está a alta temperatura, y su red cristalina es fuerte, otro punto donde la temperatura es mas baja y el material comienza a presentar maleabilidad, donde bajando aún mas la temperatura el material será sumamente maleable y podrá ser fácilmente deformado, subiendo la temperatura llegaremos a un punto donde el material comenzará a presentar una estructura cristalina fuerte.

A continuación podrá ver la gráfica de α en función de la temperatura. Hasta que el material sea programado, dándole forma y calentándolo, este estará a un 100% del estado de austenite hasta que llegue a la temperatura de inicio (MF)del estado de martensite dada una cantidad de fuerza aplicada. Cuando la temperatura baja hasta la temperatura final de martensite (MF) todos los cristales del metal estarán completamente en estado martensite. La forma del material no será alterada por este proceso. En la fase martensite el material puede ser deformado fácilmente por fuerzas externas debido a la flexibilidad de los parámetros a,b,c y α del cristal. El material no volverá a la forma original debido a que se encuentra a una temperatura menor que MF . Si calentamos el material, este comenzará a recuperar su forma original, cuando la temperatura alcance el valor de inicio del estado de austenite (AS) y tendrá la forma original cuando se llegue a la temperatura final del estado de austenite(AF). Deformación. MF AS MS AF Temperatura.

Ciclos de histéresis del nitinol, en función de la temperatura. Proceso de deformación de las moléculas del nitinol 2.2 Como se entrenan los metales con memoria de forma. Si a un metal de memoria de forma se le aplica repetidamente la misma deformación por ejemplo un alargamiento del 3%, calentándolo y luego enfriándolo, el material adquirirá un entrenamiento en doble sentido, por ejemplo con un alambre: Si se estira un 3% en la fase martensite, al calentarse a la temperatura AF recuperara su forma y al enfriarse nuevamente volverá al estado de martensite. (Este proceso se puede realizar introduciendo el hilo en dos recipientes de agua, uno con agua fría, y otro con agua caliente). Repitiendo este proceso el material estará estirado un 3% sin carga aplicada en el estado de martensite, consiguiendo un estiramiento un poco mayor aplicándole una carga, luego el material al calentarlo se contraerá un 3% de su largo cuando se encuentre en el estado de austenite. 2.3 Características físicas de las aleaciones de Niquel-Titanio. Densidad: 6.45 gms/ccTemperatura de fusión: 1240-1310º CResistencia (en alta temperatura): 82 uohm-cmResistencia (en baja temperatura): 76 uohm-cmConductividad térmica: 3.8 uemu/gmCapacidad calórica: 0.077 cal/gm-º CSusceptibilidad magnética: 2.5 a 3.8 uemu/gm Propiedades mecánicas: Tensión máxima de estiramiento: 754 – 960 Mpa. Elongación típica hasta la fractura: 15.15 %. Conversión de energía: Eficiencia en conversión: 5%. Trabajo: 1 Joule/gramo.

Temperatura de transformación : -100 a + 100º C A continuación mostramos una tabla con las propiedades de los Alambres Musculares según su diámetro y temperatura de actuación. Código AM037 AM050 AM100 AM150 AM250 AM300 AM375

FISICA Diámetro de alambre (µm) 37 50 100 150 250 300 375 Radio minimo de curvatura (mm)

1.9 2.5 5 7.5 12.5 15 18.75

Área de sección de alambre (µm2)

1075 1963 7854 17700 49000 282000 442000

ELÉCTRICO Resistencia lineal (ohm/m) 860 510 150 50 20 13 8Recomendación corriente (mA)

30 50 180 400 1000 1750 2750

Recomendación de poder 0.8 1.3 4.9 8 20 40 60FUERZA Fuerza max. De recuperación 600 Mpa(g)

64 117 469 1056 2933 16900 26400

Fuerza de recuperación típica 600 Mpa(g)

20 35 150 330 950 1250 2000

Fuerza de deformación típica 600 Mpa(g)

4 8 28 62 172 245 393

VELOCIDAD TEMP. Velocidad máxima de contracción (seg)

0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

BAJA LT Velocidad de relajación (seg) (70ªC)

0.7 0.8 1.3 2.5 6.2 8.1 14.5

LT Ciclos por minuto 52 46 33 20 9 7 4ALTA HT Velocidad de relajación (seg) (90ªC)

0.4 0.4 0.7 1.5 4.1 6.2 11.5

HT Ciclos por minuto 68 67 50 30 13 9 5 TEMPERATURA Activación del TEMP ºC 88Activación final de TEMP ªC 98Relajación de TEMPªC 72Relajación final de TEMPªC 62Temperatura de alineación 300Temperatura de fusión 1300MATERIAL Ciclo descendenteResistencia 82Modulo pequeño 75Susceptibilidad Magnética(uemu/g) 3.8Conductividad Térmica (W/cm*C) 0.18Densidad 6.45Calor específico 0.077 o 0.32 joule/g*CCalor latente 560(-43 tonelada por pulgada cuadrada)Fuerza de recuperación max(Mpa) 187(-13 tonelada por pulgada cuadrada)Recomendación de corriente(mA) 35(-2.5 tonelada por pulgada cuadrada)

Recomendación de poder (Mpa) 1000(-71 tonelada por pulgada cuadrada)Trabajo de salida (joule/g) 1Conservación de energia eficiente(%) 5

Deformación máxima (%) 8Deformación recomendable (%) 3-5

Distintos diámetros en los que se comercializa el nitinol

2.4 Como aumentar las velocidades de contracción y relajación. La única manera de disminuir los tiempos de contracción es aumentando la corriente de excitación. Esto hará que el actuador se caliente más rápido. Pero a su vez, la masa del actuador tenderá a acumular mayor energía calórica que la podrá evacuar a través de superficie de contacto con el ambiente exterior. Con lo cual será más difícil evacuar esta temperatura y le obligará a la utilización de ventiladores o sistemas de refrigeración. Otra posibilidad es mejorar la conductividad calórica embebiendo el Alambre Muscular en aceite o agua. También puede optar por instalar múltiples alambres musculares delgados en paralelo, los cuales poseen una velocidad de operación mayor que los más gruesos. 2.5 Como instalar los Alambres Musculares:

Para conectar el alambre muscular y los cables de energía no se pueden soldar dado que las temperaturas que alcanza en el austenite, fundirían el punto de soldadura, se puede utilizar borneras, uniones para ferromodelismo o simplemente dos arandelas de bronce con un tornillo y una tuerca.

2.6 Características principales: -Los hilos de nitinol no se pueden soldar, como ya hemos comentado anteriormente. -Al iniciar el trabajo con los hilos debemos asegurarnos de en que fase se encuentran, para ello lo metemos en agua caliente (así sabemos que partimos de la austenite). -Cuando pasamos a la fase martensite (cuando se enfrían) es necesario aplicarle una fuerza para que deje la forma memorizada, y retome su tamaño original.

-No se debe calentar demasiado el nitinol, porque de hacerlo se quedara memorizado con la forma que presentara en ese momento. -No se debe superar una elongación máxima de un 15%, (por peligro de rotura). -Aparte del uso técnico que le hemos dado al nitinol, éste tiene un gran uso dentro de la rama de la medicina, dado que es un material biocompatible, por ejemplo :ortodoncia, prótesis ortopédicas. 3.- DISEÑO Y MONTAJE

Como hemos comentado anteriormente vamos a apoyarnos en la propiedad que posee el nitinol de encogerse cuando se somete a grandes temperaturas para conseguir el desplazamiento del robot (dicha temperatura la alcanzaremos haciendo circular corriente por los hilos); Nada mas observar las especificaciones de nuestro diseño descubrimos el primer problema, podemos decir que el alambre es unidireccional, porque simplemente se encoge al someterlo a una temperatura elevada ( que conseguiremos haciendo pasar corriente por él), sin embargo, a temperatura ambiente el material no vuelve a su posición normal, porque se trata de un material con memoria, para conseguir que dicho material recupere su forma inicial debe ofrecerse una fuerza contraria al movimiento de contracción del hilo.

Por tanto teníamos que diseñar un mecanismo que nos permita implementar el paso de las patas.

Dicho paso se va a dividir en dos movimientos: uno que levante la pata, y otro que la arrastre.

Para la recuperación de ambos alambres colocaremos sendos muelles al lado contrario de donde tiran éstos.

Además el muelle que se opone al movimiento de levantado de patas debe tener una fuerza tal que permita al alambre tirar sin dificultad y a su vez soporte el peso de la estructura consiguiendo que ésta no se hunda.

Posteriormente debíamos decidir cual iba a ser el cuerpo de nuestro insecto, y

como vamos a diseñar las patas. Para el cuerpo optamos por coge la tapadera de la caja donde venía una carcasa

de un móvil 3310 ( ya comentamos anteriormente que íbamos a trabajar con materiales asequibles).

Nota.- Como comentaremos posteriormente,

debido a que tuvimos que utilizar un hilo de mayor grosor, la estructura que elegimos como cuerpo del insecto se fracturo debido a la fuerza que dichos alambres ejercían sobre la bisagra y la carcasa, por ello nos vimos obligado a utilizar una placa de metacrilato.

Las patas las construimos a partir de un tubo de

cobre que teníamos, puesto que es un material ligero y maleable; inicialmente pensamos en trabajar con

aluminio, pero era bastante mas caro y más difícil, pues dicho material es mucho menos maleable.

Ahora teníamos que decidir como ensamblar las patas a la estructura y como

conseguir que dichas patas se levanten y giren a la vez como dos movimientos totalmente independientes.

Para ello construimos unas bisagras de aluminio a las que uníamos mediante un

tornillo la pata, tornillo sobre la que ésta giraba y realizaba el movimiento horizontal (levantar), a su vez dicha bisagra estaba unida al cuerpo del insecto mediante un tornillo y una arandela de forma que le permitiéramos realizar el giro lateral, y por tanto el arrastre de la pata.

Los hilos deben de tener una longitud en torno a

los 10cm para que la contracción sea apreciable (el hilo suele contraerse entre un 3 y un 5 %).

Para levantar la pata, el hilo tirará desde el punto de tangencia de la curva de la misma.

Para arrastrar se tira desde una de las esquinas de

la bisagra, como necesitábamos usar un hilo relativamente largo, tuvimos que colocar unas poleas pequeñas de playmobil para conseguir un mayor recorrido de éste. A su vez que le facilitara el arrastre transversal.

Para evitar el deslizamiento de las patas al ponerse en contacto con la superficie

del suelo (ya que dicha superficie será una mesa o las propias lozas del suelo que son deslizantes) colocamos unos terminales de goma para garantizar una mejor adherencia.

La decisión del número de patas que iba a poseer el insecto fue tomada teniendo

en cuenta que lo más importante era conseguir un buen equilibrio; por ello decidimos que cuatro patas no podían ser porque el equilibrio se iba a perder al caminar, además, no quedaba bien estéticamente; por tanto teníamos que decidir entre ocho o seis patas, en un principio pensamos en ocho para ser más fieles a la realidad, pues una araña, que es el modelo de insecto que escogimos, tiene ocho patas.

Posteriormente, optamos por poner seis patas puesto que era más eficiente tanto

en el número de hilos, como en el consumo de potencia (a más hilos, más corriente que debe proporcionar la fuente) a demás, en el caso de ocho patas quedaba una estructura exageradamente grande.

La programación del paso de la araña consiste en activar sincronizadamente las

patas, tanto el movimiento de levantar como el de tirar, para ello usaremos dos puertos del microcontrolador, y dichos puertos debían ser interpretados por nuestro prototipo como ordenes de contraer o no los hilos.

En un principio, la idea más intuitiva del funcionamiento es pensar mandar un '1'

lógico cuando queremos activar el hilo correspondiente a la pata y un '0' lógico para que

vuelva a su estado de reposo. Sin embargo, la conexión del hilo directamente a la salida de un puerto del microcontrolador hace que el pin correspondiente prácticamente se cortocircuite, debido a la escasa resistencia del hilo; por ello necesitamos limitar la corriente por la salida del micro.

Además, hemos comentado que cada hilo necesita unos 600 mA para contraerse,

corriente que es imposible sacar del micro ya que se quemaría. Basándonos en esto, tenemos dos posibles soluciones:

- Controlar la tensión del hilo mediante la generación de una onda PWM. de valor

eficaz adecuado a nuestro hilo. - Diseñar unos drivers o amplificadores de corriente capaces de suministrar 600 mA y de consumir menos de la Iol máx de los pines del 68HC11.

La primera opción sea quizás la más cómoda ya que sólo requiere más

procesado software, sin embargo, comprobamos que en los momentos en el que la onda PWM se encuentra a nivel alto, el pico de intensidad producido excede los márgenes de seguridad del micro. De todas formas explicaremos un poco más esto: vemos que la tensión eficaz de cada hilo es Inecesaria*Rhilo, de esta forma calculamos que nuestro hilo necesitaba unos 0.6 V/cm. Teniendo en cuenta que nuestro hilo tiene una longitud de unos 10-12 cm necesitamos unos 6-6.5 V para cada hilo, esto es, sacar por las patillas correspondientes la señal PWM de valor eficaz 6 V.

Como hemos dicho anteriormente, la opción quedó anulada cuando observamos

que los picos de intensidad eran cercanos a 0.5 A. Por esta causa la opción que escogimos fue la dos.

Una vez decidido, nos pusimos a diseñar los amplificadores de corriente, para

ello recordando los conocimientos (aparentemente inútiles) de electrónica de dispositivos así como los también adquiridos en electrónica analógica nos pusimos manos a la obra.

El driver consiste en un transistor de potencia BD139 en configuración de

emisor común, de esta forma colocando el nitinol como carga en el colector conseguimos que pase por el una corriente beta +1 veces que en la base. Al ser un transistor de potencia la beta típica está en un valor aproximado de 175. por ello la corriente aproximada que necesitamos en la base es de 3-5 mA, teniendo en cuenta que la beta varía con la temperatura. De todas formas para que no sobrepasemos la intensidad de 600 mA haremos que esta sea la Isat del transistor.

Una vez diseñado el driver construimos una placa formada por 12 drivers

iguales, además para facilitar la programación, colocamos unos diodos led que se encienden cuando el hilo correspondiente está activado.

Otro problema era el gran consumo del microinsecto, puesto que en el peor de

los casos hay 7 hilos contraídos (y por lo tanto consumiendo corriente ), nuestro sistema, que en un principio estaba alimentado por un pack de cuatro pilas, era insuficiente, pues la duración de las pilas era muy pequeña, y la corriente que proporcionaban era poca.

Una posible solución hubiera sido alimentar cada pata con unas pilas de botón,

por lo que solo requeriría unos 600mA por pata, pero puesto que se trataba de un problema hardware no muy relevante, optamos por alimentar nuestro insecto directamente con una fuente de corriente, dejando así de ser autónomo. ( aunque si en un futuro se deseara presentar dicho diseño a alguna prueba, no seria ningún problema conseguir dicha autonomía).

4. PROBLEMAS:

Uno de los problemas fue el continuo entrenamiento al que estaban sometidos

los hilos que se encargaban del movimiento vertical de las patas.

Verdaderamente, fueron los muelles encargados de devolver los hilos de levantamiento a su posición los que nos introdujeron el problema, puesto que los cables están continuamente entrenándose al proporcionarle una determinada fuerza, cuando dicha fuerza es demasiado grande, los cables dejan de entrenarse, y lo que hacen es memorizar la ultima posición a la que llego; el problema era que al estirarse los cables mas de lo querido, nosotros volvíamos a colocarlos tensos, y volvían a estirarse, así hasta que los cables superaban su umbral de elongación y terminaban por partirse.

La solución a esto era colocarle unos topes a las patas de forma que no

permitiesen a los cables estirarse mas de la cuenta, y conseguir que dichos hilos volvieran únicamente a su medida inicial.

Con dicho topes (piezas de aluminio que se observan en las patas y que las

cruzan transversalmente) no solo superamos este problema sino que le dimos muchísima más fuerza y estabilidad al movimiento de arrastre de las patas, puesto que, de lo contrario, la mayor parte de la fuerza del movimiento se iba en la pequeña holgura que pudiera presentar la pata.

De esta forma el arrastre se hace con dos puntos de apoyo, el de la bisagra en la base de la pata y el del soporte en la mitad de dicha pata.

El problema anteriormente comentado produjo una reiterada ruptura del material, y por tanto, un agotamiento del mismo. Nos encontrámos ahora con un nuevo problema, no había mas material disponible en todo el territorio nacional, tras escribir varios E-mail a compañías americanas pudimos obtener el nitinol de forma totalmente gratuita, gracias a una empresa dedicada a la utilización del nitinol con motivos médicos (ortodoncias) pero solo disponían de material con un diámetro superior al utilizado, y por tanto, la velocidad de nuestro sistema iba a quedar reducida, puesto que la velocidad de contracción y estiramiento del cable es inversamente proporcional a la sección del mismo. Este nuevo material tenía una mayor fuerza de contracción, fuerza que fracturo la estructura elegida como cuerpo del diseño;

Por lo tanto, teníamos que empezar nuestro montaje desde cero, y en primer lugar teníamos que encontrar una placa de material más resistentes que hiciera las veces de cuerpo del insecto. Finalmente escogimos una plancha de metacrilato de 5mm. El montaje fue idéntico al anterior, salvo los muelles utilizados, que tuvimos que sustituirlos por otros con mayor fuerza de contracción, para que consiguieran devolver el hilo a su posición original a una velocidad adecuada. Sin embargo, el principal problema, y al que hemos dedicado la mayor parte del tiempo, ha sido conseguir el equilibrio de la estructura, tanto cuando esta parada como cuando esta en movimiento. El equilibrio estático lo conseguimos fácilmente gracias a la distribución elegida de patas. El equilibrio en movimiento fue sin duda el mas problemático; al levantar una pata delantera, la estructura bajaba milímetros, y debido a ello, cuando dejábamos de aplicarle corriente al alambre, la pata no volvía a su auténtica posición original. Al repetirse reiteradamente este efecto, llegaba un momento en que la estructura estaba lo suficientemente hundida como para hacer que los cables encargados del levantamiento no estuvieran lo suficientemente estirados, y por tanto no fueran capaces de realizar el movimiento. La solución idónea sería reforzar los muelles, pero esto sería en un caso ideal en el que no tuviésemos la limitación impuestas por el nitinol; Finalmente optamos por retocar a mano cada una de las patas del insecto, hasta conseguir evitar el hundimiento mencionado anteriormente. Trabajo que resulto bastante costoso, porque se basaba en la continua observación del paso de la araña hasta alcanzar nuestro objetivo.

Otro problema importante fue el comentado anteriormente en el diseño de la

placa driver, consistente en la necesidad de alimentar por separado el micro de los drivers. Con ello conseguimos subir la tensión de colector de los transistores para fijar una mayor corriente de saturación.

5.-CÓDIGO: PORTB EQU $04 ;asignamos a las etiquetas las direcciones de los puertos. PORTC EQU $03 DDRC EQU $07 ORG $00 ; situa el programa a partir de la posición 0 de la RAM; LDX #$1000 ;cargamos en el registro X un 1000 para usar direccionamiento

;postindexado LDAA #$FF STAA DDRC,X ;configura el puerto C como salida inicia LDAA #$0000 STAA PORTB,X STAA PORTC,X ; reseta los puertos LDY #$001D LDX #$86B1 BSR PAUSA ; Espera antes de empezar start LDAB #$0001 ; carga un uno en el acumulador b para comenzar con la pata 1 SIGUE BSR PASO LDAA #$0004 CBA BEQ carga1 LDAA #$0040 CBA BEQ carga2 LDAA #$0010 ; condiciones q deciden que pata será la siguiente. CBA BNE SIGUE LDAA #$0000 STAA PORTC,X ;suelta todas las patas BSR PAUSA8SEG ;deja q todas las patas suelten BSR PAUSA8SEG BRA start carga1 LDAB #$0010 BRA SIGUE carga2 LDAB #$0004 BRA SIGUE

PASO STAB PORTB,X ;rutina de paso (levanta,tira,baja) LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA TBA ORAB PORTC,X STAB PORTC,X LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA LDAB #$0000 STAB PORTB,X BSR PAUSA2SEG TAB LSLB ;rotamos hacia la izquierda el acumulador B RTS PAUSA NOP DELAYY NOP DELAYX DEX BNE DELAYX DEY BNE DELAYY NOP LDX #$1000 RTS PAUSA2SEG ldy #$0018 PAUSA2SEGY: ldx #$6C80 PAUSA2SEGX: dex bne PAUSA2SEGX dey bne PAUSA2SEGY

nop LDX #$1000 rts PAUSA8SEG ldy #$0036 PAUSA8SEGY ldx #$C0E5 PAUSA8SEGX: dex bne PAUSA8SEGX dey bne PAUSA8SEGY nop LDX #$1000 rts A continuación vamos a comentar el código del programa para darle una visión general y explicando las subrutinas que lo componen. El programa usa dos puertos de nuestro microcontralor, en concreto el B y el C, dado que el puerto A no tenía los suficientes pines de salida. Como se ve en el código, tenemos que configurar el puerto C como salida, ya que es bidireccional. Por otro lado, hemos escrito un código recursivo, la subrutina PASO es llamada cada vez con unos valores diferentes con el fin de que sea distinta la pata que de el paso. La secuencia u orden de las patas es la siguiente 1-2-5-6-3-4 Esta secuencia ha sido generada con el fin de conseguir una mayor estabilidad. Además de este paso pensamos en otros posibles pasos que nuestro proyecto pudiera tener, a continuación mostramos en un gráfico los tres más significativos:

En el programa tenemos dos comparaciones, las cuales cargan un valor que altera la secuencia normal de las patas; de esta manera conseguimos que después de la 2 vaya la 5 y después de la 6 la 3. De todas formas, también tenemos el otro código que activa las patas en orden. Las condiciones que establecen este orden son las siguientes:

carga1 LDAB #$0010 BRA SIGUE

carga2

LDAB #$0004 BRA SIGUE

La idea principal del movimiento de la pata es la siguiente: la pata se levanta, luego avanza y por último apoya. Cuando todas las patas han realizado esta secuencia, se liberan y vuelven a su posición inicial. De lo anterior podemos deducir que las patas han de estar contraidas mientras que el resto realiza la secuencia; por ello vamos realizando una OR con el puerto C para que los hilos que controlan estas patas permanezcan activados. Al final del proceso estos hilos se liberan.

ORAB PORTC,X STAB PORTC,X

En cuanto a las órdenes que gobiernan el levantamiento y bajada de las patas podemos decir que hacemos un ‘bit’ rotatorio el cual activa una pata luego la siguiente y así sucesivamente hasta que termina la secuencia.

LSLB ;rotamos hacia la izquierda el acumulador B Para dar el sincronismo a nuestro insecto usamos diferentes rutinas que generan pasusa. Simplemente consiste por así decirlo en mantener el procesador ocupado haciendo bucles software anidados. La expresión que utilizamos para calcular el tiempo que se emplea en concluir la subrutina es la siguiente:

3 + 15 + ( 6 * X + 10 ) * Y = números de ciclo de reloj Siendo cada ciclo de reloj 500 ns al usar el micro a 8 Mhz. Vemos las subrutina a continuación:

PAUSA8SEG ldy #$0036 ; 3 ciclos PAUSA8SEGY ldx #$C0E5 ; 4 ciclos PAUSA8SEGX: dex ; 3ciclos bne PAUSA8SEGX ; 3 ciclos dey ; 4 ciclos bne PAUSA8SEGY ; 3 ciclos LDX #$1000 ; 3 ciclos Rts ; 5 ciclos Teniendo en cuenta también que la llamada salto a subrutina dura 6 ciclos Si se observan las instrucciones del código y la duración en ciclos de reloj es fácil hallar los valores con los que se han de cargar los registros X e Y. Además del programa básico y principal de nuestro microinsecto, hemos diseñado el código necesario para que gire tanto a la izquierda y a la derecha. Debido a que el funcionamiento de estos programas es similar al anterior simplemente los mostramos a continuación: GIRO A LA DERECHA: PORTB EQU $04 PORTC EQU $03 DDRC EQU $07 ORG $00 LDX #$1000 LDAA #$FF STAA DDRC,X inicia LDAA #$0000 STAA PORTB,X STAA PORTC,X LDY #$001D LDX #$86B1 BSR PAUSA ; Espera antes de empezar start LDAB #$0001 ; carga un uno en el acumulador b xa comenzar con la pata 1 LDAA #$0000 STAA PORTB,X STAA PORTC,X

SIGUE BSR PASO LDAA #$0040 CBA BNE SIGUE LDAA #$0022 STAA PORTB,X ;levanta patas 2 y 6 para girar LDAA #$0000 STAA PORTC,X ;suelta todas las patas y gira LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA ;deja q todas las patas suelten BRA start PASO STAB PORTB,X ;rutina de paso (levanta,tira,baja) LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA TBA ORAB PORTC,X STAB PORTC,X LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA LDAB #$0000 STAB PORTB,X LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA TAB LSLB LSLB RTS PAUSA NOP DELAYY NOP DELAYX

DEX ; ----3 clocks BNE DELAYX ; ----3 clocks DEY ; --4 clocks BNE DELAYY ; --3 clocks NOP ; 1 clock LDX #$1000 RTS ; 5 clocks GIRO A LA IZQUIERDA: PORTB EQU $04 PORTC EQU $03 DDRC EQU $07 ORG $00 LDX #$1000 LDAA #$FF STAA DDRC,X inicia LDAA #$0000 STAA PORTB,X STAA PORTC,X LDY #$001D LDX #$86B1 BSR PAUSA ; Espera antes de empezar start LDAB #$0002 ; carga un uno en el acumulador b xa comenzar con la pata 1 LDAA #$0000 STAA PORTB,X STAA PORTC,X SIGUE BSR PASO LDAA #$0080 CBA BNE SIGUE LDAA #$0011 STAA PORTB,X ;levanta patas 1 y 5 para girar LDAA #$0000 STAA PORTC,X ;suelta todas las patas y gira LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA ;deja q todas las patas suelten

BRA start PASO STAB PORTB,X ;rutina de paso (levanta,tira,baja) LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA TBA ORAB PORTC,X STAB PORTC,X LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA LDAB #$0000 STAB PORTB,X LDY #$0007 LDX #$BA01 BSR PAUSA TAB LSLB LSLB RTS PAUSA NOP DELAYY NOP DELAYX DEX ; ----3 clocks BNE DELAYX; ----3 clocks DEY ; --4 clocks BNE DELAYY; --3 clocks NOP ; 1 clock LDX #$1000 ;3 clock RTS ; 5 clocks La idea de implementar al paso hacia delante, el giro izquierda y el giro derecha era la de colocar estos códigos en un programa principal con el fin de que el microinsecto pudiera reaccionar e interactuar con elementos externos. Sin embargo, la idea de colocar

un par de bumpers (uno a la izquierda y otro a la derecha) para que fueran detectados objetos no era muy práctica. La velocidad que nos proporciona el nitinol es mínima, y estos movimientos se iban a apreciar muy lentamente. Tal y como comentamos con anterioridad, diseñamos una placa driver provista de led’s para facilitar el desarrollo del programa así como para darle un toque luminoso al microinsecto. Por esto usamos la placa driver para simular el comportamiento del código; a su vez, encontramos por internet varios simuladores de los microcontroladores de motorola, algunos para MS-DOS y otros para WINDOWS; en concreto el simulador THRSim11 68HC11 fue el que utilizamos debido a la gran potencia q tiene. Es capaz de mostrar los valores de todos los puertos, podemos modificar dichos valores, ejecutar subrutinas por separado, omitirlas, ensamblar.... Con estas herramientas y mediante la observación de la forma de caminar de nuestro microinsecto hemos diseñado el código anteriormente mostrado. Por último mostraremos algunas fotografías que hemos realizado:

Detalle de las bisagras, poleas, hilos y muelles Vista de planta del microinsecto

Placa compuesta por los 12 Drivers Microinsecto

6.-CONCLUSIONES Y MEJORAS: Como último punto de esta memoria, vamos a comentar las conclusiones y las mejoras posibles. En primer lugar comentar que nuestros objetivos principales a la hora de hacer este proyecto eran el uso de una nueva tecnología, así como la aventura de diseñar nuestro propio microbot, basándonos en la siguiente forma de trabajo:

De esta forma conseguimos ir revisando nuestro diseño paso a paso y añadiéndole mejoras. En cuanto al nitinol, hemos de decir que es un material sorprendente en cuanto a su comportamiento, ya que un simple hilo puede tirar de hasta 23 Kg. Uno de los principales problemas que hemos encontrado es que debido al fino diámetro es muy tedioso trabajar con él. Principalmente debido a que no se puede soldar y es necesario colocarle borneras así con ciertos componentes de precisión de los que no disponemos. Por otra parte como dijimos en “la introducción al nitinol” es mucho más fácil trabajar con el nitinol a bajas temperaturas, por ello es necesario trabajar en medios especiales, laboratorios... También hemos aprendido mucho en cuanto a cálculo de consumo de potencia y diseño hardware. Otra cosa curiosa y que en un principio no tuvimos en cuenta es el equilibrio del insecto, fue quizás el reto más grande que tuvimos que superar. Nos hubiera gustado también profundizar más en cuanto a la inteligencia del microbot, es decir, que fuera capaz de interactuar con el medio; sea quizás esta la mejora que más hubiéramos deseado hacerle a nuestro insecto. La inteligencia se le puede dar, lo que pasa que las limitaciones físicas del nitinol nos impiden que el desarrollo de la conducta del microbot sea apreciable a cortos intervalos de tiempo. Dicha inteligencia consistiría en algunos bumpers, para que el robot reaccionara a contactos con paredes, etc. O también la colocación de un par de led’s bicolor para que al tocar la araña simularan el cambio de color de los ojos de esta.

Como dijimos antes, la potencia consumida fue un gran problema, sin embargo es posible solucionarlo colocándole pilas de botón, de esta manera estaría solucionada la autonomía. Por último, al colocarle nuevos hilos, y siendo estos más potentes pudríamos solucionar el problema de que el microinsecto lleve encima todo el hardware que le da vida. Otra forma de solucionar numerosos problemas (equilibrio, consumo, velocidad...) es montar el microinsecto con motores, nos harían falta 12 motores para darle toda la movilidad o 6 para que la movilidad esté reducida a una sola forma de caminar. De todas formas como el propósito final era construir el microbot, nos damos por satisfecho ya que hemos diseñado un microinsecto vivo a costa de usar unos materiales cotidianos y reciclados así como de echarle un poco de imaginación.

Anexo:

En este anexo, vamos a comentar algunos aspectos de nuestro diseño que por su simplicidad, no explicamos detalladamente en la memoria; sin embargo, tienen cierta relevancia ya que fueron pequeños problemas que tuvimos que solucionar. Empezaremos con el tema de las patas, como se ve en las fotos, nuestras patas están sujetas con una bisagra y con un muelle a la estructura. El nitinol, es el encargado de levantar la pata haciendo así una fuerza superior a la del muelle, por ello, para descargarlo de esfuerzo aprovechamos el tornillo que sujeta el muelle de la pata para darle un nuevo punto de apoyo al hilo. De esta forma teníamos además un poco de más recorrido de hilo lo que produciría un aumento en la longitud de contracción del mismo. Como consecuencia de optar por esta opción, nos dimos cuenta que debido al movimiento transversal de la pata el hilo se salía y entraba en la muesca del tornillo. El roce sucesivo producía en ocasiones la ruptura del hilo. Para solucionar esta continua salida y entrada del hilo en la muesca, pegamos en la cabeza del tornillo una tuerca que impedía que se produjera dicho efecto. Una vez solucionado esto vamos a comentar otro ligero problema que tuvimos que resolver. Como se describe en la memoria, tuvimos que cambiar el diseño de nuestro microinsecto debido a que nos quedamos sin hilo de 100 micras de diámetro. Aparentemente, esto no era problema debido a que habíamos conseguido hilo de 150 micras; una simple sustitución y todo listo. Sin embargo, no fue así, estos nuevos hilos tenían más del el doble de fuerza que los anteriores, por ello, tuvimos que colocar nuevos muelles más potentes. Cuando este problema parecía estar solucionado nos dimos cuenta que el lugar donde sujetábamos el muelle no era el correcto, ya que la fuerza de los muelles producía que la bisagra se clavara en la estructura de plástico del microinsecto impidiendo así el movimiento transversal de la pata. Para solucionar esto teníamos que buscar un nuevo punto de anclaje del muelle vertical, pensamos entonces en unas barras metálicas que teníamos de un viejo meccano, las cuales tenían la medida perfecta para ser un poco más anchas que el cuerpo de nuestro microbot y así poder sujetar los muelles en sus extremos. El resultado fue muy bueno y descartamos entonces este problema. Ahora que parecía todo conseguido hicimos una prueba para ver que tal levantaba la pata. La sorpresa fue que debido a la fuerza del hilo, el movimiento de contracción se transmitía por completo a la estructura. La repetición de este movimiento hizo que la estructura se rompiese.

Así que en este punto, con el microinsecto roto, tuvimos que volver a pensar en una nueva y definitiva estructura. Nos hicimos pues con una lámina de metacrilato, siendo esta la base final de nuestro diseño.

Detalle de los elementos descritos anteriormente

Por otra parte, tenemos que comentar cuál fue el diseño que elegimos para los drivers. Como dijimos construimos doce amplificadores de corriente formados por 12 transistores BD139 en configuración de emisor común; usando como carga el propio nitinol.

El esquema es el siguiente:

Como vemos a la base del transistor conectamos la salida del micro controlador. Para conectar las 12 salidas a la placa driver usamos un cable tipo bus. Desde la placa de los drivers, y también mediante un bus, llevamos los colectores hasta nuestro microinsecto. Una vez allí conectamos el nitinol al colector mediante unos tornillos y arandelas; tan solo quedaba conectar el otro extremo del hilo de nitinol a Vcc. Para hacerlo aprovechamos que tanto el cobre como el aluminio son conductores, por ello solo era necesario alimentar a Vcc cada una de las bisagras. Entonces nos dimos cuenta que este problema estaba resuelto debido a que las bisagras estaban conectadas dos a dos por las placas de meccano que colocamos anteriormente. Así con una sola toma de alimentación estaba alimentado nuestro microinsecto por completo.

Por último vamos a comentar como uníamos el nitinol a la parte de abajo de la bisabra. En un principio, usábamos el terminal simplemente como tope para que no se saliera del taladro de la bisagra. Sin embargo, necesitábamos un mecanismo que nos permitiese soltar y poner el nitinol con facilidad. Por esta causa, usando un terminal de cabeza redonda, y haciendo una especie de grapas de aluminio conseguíamos poner y quitar fácilmente los hilos.

Con estos últimos retoques, pretendíamos facilitar ante todo la forma de trabajar con nuestro microinsecto, ya que era bastante delicado ajustar alguna pata mientras el resto permanecían bien ajustadas. La fragilidad del nitinol hizo que más de una vez se rompieran los hilos, teniendo así que sustituirlos por otros nuevos, los cuales tenían que ser medidos, entrenado, crimpados... Las mejoras hicieron efecto y podíamos así trabajar de una manera más rápida y eficiciente.