Utilizacion de sensores en el armado del cubo de Rubik

Garcıa Urquijo JaimeMoreno Zamora EdgarGudino Serrato Alexis

December 7, 2014

Contents

1 Introduccion 3

2 Resumen 3

3 Insumos 3

4 Caracterısticas de los sensores 34.1 Sensor ultrasonico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

4.1.1 El principio ultrasonico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34.1.2 Tipos de sensores ultrasonicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.1.3 Aplicacion de los sensores ultrasonicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4.2 El sensor RGB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44.2.1 Tipos de sensores RGB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2.2 Aplicaciones de los sensores RGB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4.3 El servo motor con encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.3.1 Funcionamiento del servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.3.2 Tipos de servomotores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64.3.3 Aplicaciones de los servomotores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

5 El Microcontrolador 7

6 Diseno 86.1 Base del cubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.2 Base trasera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.3 Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.4 Bracket L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96.5 Empujador 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96.6 I beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.7 L piece . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.8 L piece 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.9 Spacer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.10 Tapa base cubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.11 Union empujador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

7 Programacion 13

8 Operacion 14

9 Proceso de construccion 15

10 Estructura 15

11 Conclusiones 16

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12 Bibliografıa 17

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1 Introduccion

En un proceso controlado, los sensores son los elementos que miden las distintas variables, indican los errores,recogen los estados y transmiten esta informacion al sistema de control de proceso.

Hoy en dıa, los sensores son utilizados en todas las industrias para realizar procesos automatizados. Los sensorespueden ser utilizados como medidas de seguridad para los trabajadores, como para las maquinas.

2 Resumen

El proyecto consiste en crear un prototipo mecatronico que de forma automatica y con ayuda de sensores, unmicrocontrolar reconozca los distintos estados del cubo de Rubik y encuentre la solucion mas optima para resolverloen el menor tiempo posible en base a algoritmos predeterminados.

3 Insumos

Figura No. 1 – Insumos utilizados para la realizacion del proyecto.

4 Caracterısticas de los sensores

4.1 Sensor ultrasonico

Los sensores ultrasonicos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecanicos y que detectan objetosa distancias de hasta 8m (Figura No.2)

4.1.1 El principio ultrasonico

El sensor ultrasonico emite cıclicamente un impulso acustico de alta frecuencia y corta duracion. Este impulso sepropaga a la velocidad del sonido por el aire. Al encontrar un objeto, es reflejado y vuelve como eco al sensorultrasonico. Este ultimo calcula internamente la distancia hacia el objeto, basado en el tiempo transcurrido entrela emision de la senal acustica y la recepcion de la senal de eco (Figura No. 3).

Como la distancia hacia el objeto es medida por medio del tiempo de recorrido del sonido, y no por una medicionde la intensidad, los sensores ultrasonicos son insensibles hacia el ruido de fondo.

Practicamente todos los materiales que reflejan el sonido son detectados, independientemente de su color. Aunmateriales transparentes o laminas delgadas no presentan problemas para los sensores ultrasonicos.

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Figura No. 2 – Sensor Ultrasonico.

Figura No. 3 - Principio ultrasonico.

4.1.2 Tipos de sensores ultrasonicos

Salida analogica o discretaProgramableDigitales de alta potenciaDe barrera

4.1.3 Aplicacion de los sensores ultrasonicos

Posicionamiento del robotControl de caja enteraReconocimiento de personasMedicion de altura y anchuraMedicion de nivel de llenadoControl de calidad

4.2 El sensor RGB

El sensor RGB es un instrumento electronico que utiliza modos de colores para poder identificar “tonos de color”en una imagen u objeto (Figura No.4).

Un modo de color, es aquel modo que expresa la maxima cantidad de datos de color que pueden ser almacenadosen un archivo grafico o formato de imagen, permitiendo utilizar una cantidad de colores especıfica y una calidad de

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Figura No. 4 – Sensor RGB.

imagen que se adecue al tipo de trabajo que vamos a realizar.

El modo de color RGB, le adiciona una intensidad a cada color en un numero que va desde el 0 hasta el 255.Tambien, pueden tomar un numero hexadecimal muy utilizado en los disenos web que van desde 00 hasta el FF.Las inıciales en ingles de Red, Green y Blue, dan el nombre a este modo (Figura No. 5)

Figura No. 5 - Modo de color RGB.

4.2.1 Tipos de sensores RGB

De fibra opticaDe alta potencia

4.2.2 Aplicaciones de los sensores RGB

Deteccion de marcas en bolsas impresas de diferentes coloresDiferenciacion entre las caras frontal y posterior de un componentedespues de haber sido encapsuladosDeteccion de etiquetas sobre recipientes blancosDeteccion de presencia/ ausencia de instruccionesComprobacion de la aplicacion de grasa en cojinetes de bolasVerificacion de color de tapa

4.3 El servo motor con encoder

Un Servo es un dispositivo pequeno que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posicionesangulares especıficas al enviar una senal codificada. Con tal de que una senal codificada exista en la lınea de entrada,

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el servo mantendra la posicion angular del engranaje. Cuando la senal codificada cambia, la posicion angular delos pinones cambia (Figura No. 6).

Figura No. 6 - Servo motor con encoder.

4.3.1 Funcionamiento del servomotor

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciometro (una resistencia variable) esta es conectadaal eje central del servo motor (Figura No. 6). Este potenciometro permite a la circuiterıa de control, supervisar elangulo actual del servo motor. Si el eje esta en el angulo correcto, entonces el motor esta apagado. Si el circuitochequea que el angulo no es el correcto, el motor girara en la direccion adecuada hasta llegar al angulo correcto.

Figura No. 7 - Interior de un servomotor.

4.3.2 Tipos de servomotores

Servomotores de CCServomotores de ACServomotores de imanes permanentes o Brushless.

4.3.3 Aplicaciones de los servomotores

Movimiento de palancasMovimiento de pequenos ascensores y timonesRadio controlControl de ejes industrialesRobotica

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5 El Microcontrolador

El Microcontrolador que posee es un ARM7 de 32 bits, que incluye 256 Kb de memoria Flash y 64 Kb de RAMexterna. De acuerdo al tipo de arquitectura, su programacion se realiza por bloques aunque tambien se pude usarla lista de sentencias (Figura No.8)

Figura No. 8 - Microcontrolador.

Figura No. 9 - ABS.

Figura No. 10 - Cubo de Rubik.

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6 Diseno

Para el diseno de la estructura con la cual se va a realizar el armado del cubo de Rubik, se utilizo el softwareSolidworks.

6.1 Base del cubo

La base es la pieza que sostiene al cubo de rubik y con ayuda de un servomotor de giro radial, se controlan losgrados de rotacion para poder realizar el censado y armado (Figura No. 11).

Figura No. 11 - Base que sostiene el cubo de Rubik.

6.2 Base trasera

La base trasera (Figura No. 12)

6.3 Beam

Biga para union de componentes (Figura No. 13).

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Figura No. 12 - Base trasera.

Figura No. 13 - Beam.

6.4 Bracket L

El Bracket L es la pieza que une ar motor que controla el brazo robotico con la base principal de la estructura(Figura No. 14)

6.5 Empujador 1

El Empjador 1 (Figura No. 15) es la pieza que sostiene al cubo mientras la base cubo (Figura No. 1) lo gira pararesolverlo. Tambien el el encargado de voltear el cubo para solucionarlo y colabora con el sensor RGB para elcensado de los colores.

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Figura No. 14 - Bracket L.

Figura No. 15 - Empujador 1.

6.6 I beam

A lo que nosotros nombramos I beam (Figura No. 16), es la pieza utilizada en las uniones de la estructura. Ladiferencia entre Ibeam y Beam es el tamano.

6.7 L piece

L piece ayuda al control del brazo robotico (Figura No. 17)

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Figura No. 16 - I beam.

Figura No. 17 - L piece.

6.8 L piece 2

L piece 2 es la que permite los movimientos para identificar los colores de las cara del cubo de Rubik con el sensorRGB (Figura No. 18).

6.9 Spacer

Se puede decir que el tope situado en la extremidad del brazo robotico, permite “tomar” el cubo para poder voltearlo(Figura No. 19)

6.10 Tapa base cubo

Es la pieza que va sobre la Base cubo. Cuando el brazo robotico toma el cubo para voltearlo, la Tapa Base Cubodelimita el espacio del cubo para que se situ nuevamente en la Base cubo (Figura No.20).

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Figura No. 18 - L piece 2.

Figura No. 19 - L Spacer.

6.11 Union empujador

Parte del mecanismo del brazo robotico (Pieza No.21).

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Figura No. 20 - Tapa base cubo.

Figura No. 21 - Union empujador.

7 Programacion

Para crear el programa que resuelve el cubo de Rubik se utilizo una programacion por bloques dentro del softwareoriginal del Lego Mindstorms. El proceso de programacion basicamente consiste en la calibracion de los sensores,asignar los colores de cada cara a variables, comparacion de valores obtenidos por los sensores (posicion y colores)y armado (Figura No. 22 a 24).

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Figura No. 22 - Programacion general

Figura No. 23 - Programacion

Figura No. 24 - Programacion.

8 Operacion

La operacion comienza con el ajuste automatico de los motores para el posicionamiento del sensor de color, posi-cionamiento del brazo que lo jala y posicionamiento del cubo, una vez ajustado los valores, se tiene que ajustarmanualmente el posicionamiento de la base del cubo, una vez posicionado la base del cubo, se pone el cubo ymediante el sensor ultrasonico detecta el cubo en la base, despues procede a escanear los colores del cubo medianteel sensor de color con ayuda del motor que mueve la base rotando el cubo sobre su propio eje, una vez detectadolos 6 colores, y guardados en variables procede a calcular los pasos y movimientos a realizar para poder armar el

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cubo, una vez terminado procede a girar la base y esta listo para poner otro cubo, si se pone un cubo ya armadoprocede a lanzar el mensaje de que ya esta listo.

9 Proceso de construccion

Para la construccion del proyecto se realizo un prototipo con piezas lego, una vez funcional en un 80 porcientose tomaron medidas, se realizaron dibujos y posteriormente se mando a hacer las piezas mediante un proceso deimpresion en 3D ya teniendo la estructura y armada, se procedio a pruebas y mediante ajustes de movimientos,rotacion y fuerzas en el motor en el programa se ajusto junto con los parametros de posicion para poder compensarlas diferencias de diseno (Figura No.25 y 26).

Figura No. 25 - Diseno para impresion 3D.

Figura No. 26 – Diseno de impresion 3D.

10 Estructura

La estructura del robot esta construida con partes LEGO y ABS (Figura No. 27 y 28).

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Figura No. 27 – Diseno estructura terminada.

Figura No. 28 – Diseno estructura terminada.

11 Conclusiones

Garcıa Urquijo Jaime:El proyecto resulto mas complicado de lo esperado debido al tiempo de impresion de los componentes, lo mascomplicado fue ajustar los parametros para corregir los cambios en el diseno. Se aprendio mucho en el proceso y apesar de los errores de construccion y de censado, con un poco de ajuste el proyecto puede quedar excelente, serıaconveniente analizar su utilidad en otros procesos para el manejo de matrices o el sorteo de productos.

Gudino Serrato Alexis:Para llevar a cabo cualquier proceso y obtener los resultados esperados, es necesario definir cuales son los objetivosque quieres alcanzar. Dentro del proceso para realizar el proyecto, nos encontramos una serie de problemas a loscuales tuvimos que buscarles solucion, sobre todo en la calibracion de los sensores. Sin duda alguna el trabajo enequipo fue indispensable para la realizacion del proyecto.

Moreno Zamora Edgar:En el desarrollo de este proyecto implemente conocimientos adquiridos a lo largo de mi carrera ası como algunosnuevos relacionados a sensores donde para el desarrollo de este proyecto nos sirvio de muy buenas bases en cuantoa la logica de como llevarlo a cabo.

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12 Bibliografıa

http://es.wikipedia.org/wiki/Lego-Mindstorms-Microcontrolador-2http://www.keyence.com.mx/products/sensor/photoelectric/cz-v20/index.jsphttp://www.microsonic.de/es/Interesting-facts.htmhttp://cosasdeingenieria.com/esp/index/items/59/servomotores

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