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ROBOT EXPLORADOR CON BRAZO SUJETADOR CON 4 GRADOS DE
LIBERTAD ADAPTADA A UNA PLATAFORMA MÓVIL CONTROLADA
INALÁMBRICAMENTE
Lenin Bolaños, Holger López, Santiago Matango, Juan Merino, Jaime Vargas
Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional
Quito, Ecuador
Resumen- El presente artículo tiene por finalidad diseñar
y construir un robot móvil con movimientos controlados
inalámbricamente mediante software. Se realiza con el
objetivo principal de aplicar todos los conocimientos
adquiridos a lo largo de este tiempo en la materia de
Control con Microprocesadores.
El prototipo diseñado, construido y probado, posee la
respectiva memoria de cálculo, los planos mecánicos y el
correspondiente software para su funcionamiento según
los requerimientos planteados.
I. INTRODUCCIÓN
A. Fundamentos de la robótica
La robótica hace referencia al diseño de sistemas
actuadores, sistemas de control, sensores, fuentes de energía,
software que trabajen conjuntamente para desempeñar tareas
definidas en un robot.
La robótica ha madurado de manera que ya no es exclusiva
de la industria y la investigación, sino también en áreas como
la seguridad, medicina, entretenimiento, etc.
Un sistema robótico funciona recibiendo información,
comprendiendo su entorno, formulando y ejecutando
órdenes.
La Asociación Internacional de Normalización (ISO) y la
Asociación de Industrias Robóticas (RIA) hacen referencia
a la palabra Robot como “Manipulador multifuncional
reprogramable con varios grados de libertad, capaz de
manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos
especiales según trayectorias variables programadas para
realizar tareas diversas”. [1]
El Robot considerado en el presente proyecto se basa en un
diseño hibrido de un robot móvil con un elemento
manipulador servo-controlado, manipulado remotamente.
Actualmente con la masificación de la robótica en algunos
países especialmente asiáticos, así como la inserción de los
robots en diferentes áreas como la medicina, industria,
seguridad e investigación ha hecho que se produzcan en
grandes series elementos comunes para construcción de
robots ya sean piezas aisladas o sistemas como estructuras
poliméricas que pueden servir de bases, brazos articulados,
articulaciones, sistemas móviles con orugas, ruedas,
facilitando en gran medida la construcción de un robot.
Los robots manipuladores llevan un dispositivo que se une a
la muñeca del robot para realizar la tarea determinada en este
caso una pinza, diseñada para la manipulación o transporte
de objetos.
El nivel de control que se realiza sobre un robot los agrupa
en tres niveles diferentes:
Nivel de inteligencia artificial, donde el programa
aceptará un comando como "levantar el producto" y
descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de
bajo nivel basados en un modelo estratégico de las tareas.
Nivel de modo de control, donde los movimientos del
sistema son modelados, para lo que se incluye la
interacción dinámica entre los diferentes mecanismos,
trayectorias planeadas, y los puntos de asignación
seleccionados.
Niveles de servo sistemas, donde los actuadores controlan
los parámetros de los mecanismos con el uso de una
retroalimentación interna de los datos obtenidos por los
Sensores, y la ruta es modificada sobre la base de los datos
que se obtienen de sensores externos. Todas las
detecciones de fallas y mecanismos de corrección son
implementados en este nivel.
II. DISEÑO Y DESARROLLO DEL ROBOT
Para el diseño de un robot se consideran distintas
alternativas y soluciones para los problemas a los que un
robot se enfrenta. Dependiendo de los requerimientos del
usuario, deben analizarse los siguientes factores.
Entorno.
Forma física del robot.
Movimientos que el robot lleva a cabo.
Software de control para dirigir el robot
Cuando se diseña un robot hay ciertas características del
entorno que pueden simplificar el diseño del mismo, o ser
un problema, así como la forma y movimientos pueden tener
un gran impacto en sus prestaciones.
Un diseño sencillo del software de control puede ser
suficiente para realizar la tarea encomendada si el software
de control es lo suficientemente completo como para
resolver todos los problemas a los que se enfrente.
El diseño se basa en la selección de alternativas las cuales
nos indican los lineamientos a seguir.
Fig. 1 Plataforma móvil ROVER 5
A. Proceso de fabricación
El proceso de diseño del brazo robótico y los elementos
adicionales se lo realiza con la ayuda del software de diseño
en computadora AutoDesk Inventor. Este programa nos
brinda una opción de transformar el diseño en un formato
STL necesario para imprimir un modelo en una impresora
3D.
El STL (de estereolitografía) es un formato de fichero que
prácticamente todos los programas de control de impresoras
3D aceptan. Una vez realizado el diseño se procede a
imprimir, donde la impresora eleva la temperatura del PLA
para poder dibujar por capaz la pieza requerida.
El brazo robótico posee 3 grados de libertad ya que no
requiere girar en su base debido a que la base del robot es
móvil.
B. Diseño del esquema de control
Para el diseño del esquema de control se parte de
la funcionalidad requerida por el prototipo, la misma que
está definida según la Figura 2.
Fig. 2 Esquema de Control Robot Móvil
Del análisis de la Fig. 2 se tiene que el sistema de control
para el prototipo se encuentra conformado de bloques de
entrada como de salida. La respuesta que se obtenga en los
bloques de salida depende de los valores que se hayan
enviado a los bloques de entrada. En conjunto está ligado a
un bloque central, quien administra las funciones de
recepción de datos del exterior para ser procesados y de
esta manera, tener el control sobre los bloques de salida. Se
debe enfatizar que el correcto funcionamiento de todo el
sistema de control, no depende de un único elemento ya
que cada bloque se encuentra ligado uno con otro.
C. Bloque del módulo bluetooth
El módulo Bluetooth es el encargado de mantener la
comunicación entre la Tablet y el prototipo, a través del
micro controlador, permitiendo la recepción de información
proveniente de la Tablet, desde donde se envía la señal de
control. El módulo utilizado es el HC-05
D. Bloque micro controlador
Constituye el bloque más representativo ya que comanda
a los bloques de salida obedeciendo los valores que se tengan
en los bloques de entrada que están relacionados a él.
La implementación de la tarjeta de procesamiento se realiza
por medio de un micro controlador de la empresa ATMEL,
el seleccionado es el ATXMEGA32A4U. Sus principales
características son:
Trabaja a una frecuencia de 32M Hz.
Permite una conexión USB ya que cumple con las
especificaciones requeridas por el protocolo de
comunicación.
Adicionalmente cuenta con los módulos del timmer, ADC
y DAC
E. Sensor de proximidad
Para la detección de obstáculos y percepción del entorno
se utiliza el sensor de proximidad por ultrasonido HC-SR04,
y está ubicado en la parte frontal de la plataforma, de tal
manera que detecta los obstáculos con los que se encuentra
cuando se va dando el desplazamiento de la misma.
El sensor ultrasónico HC-SR04 utiliza ondas de sonido
para su trabajo, a una frecuencia de 40kHz por lo que para el
oído humano es imperceptible debido a que el mismo
escucha sonidos que se encuentran entre los 16Hz a 20 KHz.
F. Sensor de temperatura
Para determinar la temperatura del objeto que es
recogido por el brazo de la plataforma se utiliza el sensor
LMJ5 (Ver Figura 3.19). Éste es un sensor de temperatura
con una precisión calibrada de 1°C. Puede medir
temperaturas en el rango que abarca desde -55° a + 150°C.
La salida es muy lineal y cada grado centígrado equivale a
10 mV en la salida.
G. Driver L298
Es un driver de puente dual de 4 canales, capaz de
proporcionar una corriente de salida de hasta 2A por canal.
Cada canal está diseñado para ser controlado por señales o
niveles lógicos de entrada TTL estándar
H. Diseño de la tarjeta de control
La tarjeta de control como tal, se lo puede dividir en tres
partes principales:
• Fuente Control
• Fuente Motores
• Micro controlador
La tarjeta de control es alimentada por una tensión de
12V debido a que se necesita que la energía se divida para
poder alimentar el micro controlador, bluetooth,
servomotores y motores de la plataforma.
III. DESARROLLO DEL PROGRAMA DE
CONTROL
Como se explicó anteriormente, el micro controlador usado
es el ATXMEGA32AU4. Este controlador es el encargado
de enviar y recibir los datos inalámbricamente desde la
aplicación Android de la Tablet, usando tecnología
bluetooth mediante comunicación serial.
En el análisis de requerimientos se determinó que en total se
necesitara 18 pines del micro controlador, los cuales
cumplirán las diferentes funciones.
Los datos dirigidos desde la aplicación hacia el micro
controlador son enviados mediante paquetes cuyos
encabezados van a tener los datos: 15, 28, 255 y 128.
Estos datos han sido escogidos para que definan cuando se
envía una nueva orden.
El siguiente dato a recibir por parte del micro controlador va
a ser el de alguna de las órdenes para movimiento de la
plataforma, brazo, antebrazo o pinza. Los datos están
definidos de la siguiente manera:
1 para cerrar, 2 para abrir o 0 para detener donde se
encuentra la pinza.
1 giro anti horario, 2 giro horario o 0 para detener donde
se encuentra la pinza.
1 baja, 2 sube o 0 se detiene donde se encuentra el
antebrazo
1 baja, 2 sube o 0 se detiene donde se encuentra el brazo
1 Adelante, 2 Atrás, 3 Derecha, 4 Izquierda o 0 se detiene
donde se encuentra la plataforma.
A. Construcción y Ensamble
Ya con los diseños de cada elemento del prototipo, se
procede a la construcción de los mismos, en el caso de los
elementos en PLA, se los elabora mediante impresión 3D,
donde la impresora va dibujando por capas la pieza con el
PLA en estado semilíquido, y se va solidificando según la
forma deseada
Fig. 3 Impresión 3D
Fig. 4 Plataforma Rover 5
La programación fue desarrollada utilizando lenguaje de
programación C, puesto que existen librerías que nos
permiten tener un mejor desempeño del programa y que son
desarrolladas en colaboración con ATMEL.
Básicamente lo que se ha desarrollado es el manejo de los
componentes del robot, es así que se define la posición de
los servomotores tanto máxima como mínima, se verifica
cada uno de los sensores como es el de temperatura, y el de
distancia y se controla los motores de DC para obtener el
movimiento del carro en los diferentes sentidos
mencionados anteriormente.
Para el movimiento de los motores de DC se utiliza un
módulo L298, el cual se encarga de generar la potencia
necesaria hacia los mismo, desde el micro controlador
activamos y desactivamos de manera simultánea 4 pines, los
cuales dependiendo de la acción enviada por el usuario se
reflejaran en movimiento hacia adelante, atrás, izquierda o
derecha.
En cuanto para el movimiento del brazo se controla la
posición de los servomotores independientemente, esto se
obtiene realizando funciones que permiten posicionar el
servomotor en diferentes posiciones con un movimiento
sube de tal forma que para llegar a la posición final de varios
pasos pequeños.
Para el sensor de temperatura se realiza una conversión
análoga-digital, la cual es acondicionada adecuadamente
para poder obtener el valor de la temperatura
adecuadamente.
En cuanto a sensor ultrasónico para medir la distancia de los
objetos utilizamos un timer para medir el tiempo de vuelo y
mediante el cálculo correspondiente obtener la distancia
acondicionada.
Todos estos datos obtenidos por los sensores así como las
señales de control son enviadas mediante comunicación
serial utilizando un módulo Bluethoot para trasferencia
inalámbrica, con lo cual se puede operar es robot de manera
remota sin necesidad de cableado innecesario, de tal forma
se utiliza un comando de inicio para detectar que tipo de
información es la receptada, con lo cual es posible
diferencias si es señal de control o alerta de cada uno de los
componentes.
IV. PRUEBAS Y RESULTADOS
A. PRUEBAS
Se realizaron diferentes pruebas durante la elaboración y
construcción del robot mencionado, con lo cual se pudo
corregir algunos fallos existentes.
Una vez realizado el montaje de la estructura se realizó una
ajuste de los elementos para proceder con el diseño de la
palca de control, ya que en principio se realizó el montaje en
protoboard, con lo cual se nos permitió corregir diferentes
fallas de diseño que no se consideraron con anticipación,
como lo es la capacitancia que presenta el protoboard, el
acoplamiento a las diferentes piezas de los motores, la
interferencias de los motores al micro controlador entre
otras.
Fig. 4 pruebas de movimiento del brazo.
Fig. 5 pruebas del sensor ultrasónico.
B. RESULTADOS
El robot explorador cuenta con un sensor de temperatura que
se trata básicamente de un integrado LM35 que envía una
señal de voltaje a un pin analógico en el micro, que nos va a
leer la señal de voltaje en el integrado de acuerdo a la
temperatura que este en ese momento.
Toda esta infraestructura está montado sobre una plataforma
que se desplazara con ruedas tipo oruga rectangular.
Fig. 6 robot armado en su totalidad
Tiene instalado una batería de litio, que dura hasta unas 4
horas aproximadamente en uso continuo, demorándose en
cargar en un tiempo total de 1hora y 30min.
Fig. 7 interfaz gráfica para control inalámbrico
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
Debido a que se ha utilizado gran cantidad de motores, esto
ocasiona interferencias, por lo que nos vimos en la necesidad
de utilizar una fuente independiente para la alimentación y
control de los mismos.
Considerando el análisis de la etapa electrónica, se
construyó el sistema electrónico de forma sencilla
seccionándolo en módulos, haciendo que cada módulo
funcioné de manera independiente y tomando en cuenta que
cualquier componente utilizado puede ser reemplazado
convenientemente en caso de cualquier daño; además estos
módulos permitió ubicar fácilmente los circuitos dentro de
la estructura del brazo robótico.
Éste tipo de brazos robóticos en la actualidad son de mucha
utilidad en el campo de la tecnología y la investigación, se
los puede encontrar en laboratorios donde es difícil acceder
a los humanos debido a sustancias que por ejemplo pueden
ser tóxicas o dañinas para el ser humano.
RECOMENDACIONES
Ya que la tecnología robótica avanza cada vez más rápido,
se sugiere actualizarse constantemente, usando las
herramientas que estén a nuestra disposición, además de
crear nuevas formas de mejorar la seguridad.
Verificar que los elementos estén conectados y ubicados
de la manera correcta, antes de poner en funcionamiento el
brazo robótico.
Evitar terrenos accidentados ya que la tracción no se
diseñó para tales entornos; para un mejor desempeño en
terrenos más generales, recomendamos modificar el sistema
de tracción.
Se puede mejorar la autonomía del robot móvil
agregándole un sistema de navegación inercial con sensores
capaz de estimar la posición, orientación y velocidad.
Se aconseja adaptar un mejor sistema de alimentación
basado en baterías de polímero de litio que reducirán el peso
del robot y aumentará su tiempo de trabajo.
REFERENCIAS
[1]https://guillermoalmeida.wikispaces.com/file/view/UNI
DAD+I+ROBOTICA+2009.pdf
[2] http://www.atmel.com/images/Atmel-8387-8-and16-bit-
AVR-Microcontroller-XMEGA-A4U_Datasheet.pdf
BIOGRAFIA
Lenin W. Bolaños, nació en Quito-Ecuador el
17 de septiembre de 1989. Realizó sus
estudios secundarios en el Instituto
Tecnológico Superior “Los Shyris”, donde
obtuvo el título de Bachiller en Ciencias,
especialidad Física y Matemáticas. En el año
2007 Ingresó a la Escuela Politécnica
Nacional donde cursas sus estudios en la
carrera de Ingeniería en Electrónica y
C ontrol.
Santiago Matango, Nació el 22 de Mayo de 1992, en la ciudad de Quito, sus estudios
secundarios los realizó en el Colegio Nacional
Juan de Salinas donde obtuvo el título de Bachiller en Físico Matemático. Actualmente
está realizando sus estudios superiores en la
Escuela Politécnica Nacional, en la carrera de Ingeniería Electrónica y Control.
Holger Elías López Córdova, nació en
Ibarra-Ecuador el 28 de septiembre del 1991.
Cursos sus estudios de primaria y secundaria
en la Unidad Educativa Municipal
Experimental “Eugenio Espejo”. Actualmente
está cursando 7mo semestre en la Escuela Politécnica Nacional, en la carrera de
Ingeniería Electrónica y Control.
Juan Merino, nació en Quito-Ecuador el 28
de Diciembre de 1988. Realizó sus estudios
secundarios en el Colegio Técnico Salesiano
Don Bosco, donde obtuvo el título de
bachiller técnico en electricidad y electrónica.
En el año 2007 ingresó a la Escuela
politécnica Nacional donde cursa la carrera de
Ingeniería en Electrónica y Control.
Jaime Vargas, nació en Quito-Ecuador el 07
de Febrero de 1992. Sus estudios secundarios
los realizo en el Colegio Menor Politécnico,
donde obtuvo el título de bachiller técnico en
Teleinformática. Actualmente está cursando
7mo Semestre en la Escuela Politécnica
Nacional en la Carrera de Ingeniería
Electrónica y Control