PFC ARTÍCULO TÉCNICO JULIO 2008 CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT

Anexo iv Regimen de Origen Apéndice 2 – Artículo
Decreto por el que se Reforman el Artículo 80
Edith Stein Autor Urbano Ferrer Clave del Artículo

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PFC ARTÍCULO TÉCNICO JULIO 2008 CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT

PFC, Artículo técnico, Julio 2008




Construcción de un robot tipo oruga para inspección y vigilancia



Carlos Tobajas García, Proyectista de Ingeniería técnica industrial Especializado en Electrónica Industrial a la Escuela Politécnica Superior de Ingeniería de Vilanova y la Geltrú



Se ha elaborado un prototipo de robot tipo oruga que da la posibilidad ha ser gobernado a través de un ordenador o ha través de un ordenador conectado a Internet. Una de sus muchas funciones que aporta este robot es realizar una supervisión o una vigilancia detallada de la zona en que se encuentre. Debido a que incorpora una cámara inalámbrica y el usuario del robot puede visualizar lo que sucede en el entorno donde se encuentre y activar la alarma que contiene el robot.

Otra innovación que adjunta son dos servomotores colocados en la parte inferior de la base que junto a una tracción de orugas posibilita la movilidad del robot. Con la facilidad de poder ser manejado por control remoto.



Introducción


La finalidad de este proyecto ha sido la construcción de un robot que tenga una estructura que nos permita realizar diferentes tareas, incluso si se desea se puede rediseñar o complementar para que realice más funciones derivadas a esta estructura.

Este proyecto lo podemos dividir en 4 partes, una primera parte, es un programa informático realizado en Labview el cual será el que nos permitirá gobernar el robot, en todas sus direcciones. Por otro lado un conjunto de circuitos conectados al ordenador a través del puerto serie que se encargaran de transmitir órdenes por medio de radiofrecuencia. La tercera parte es el robot el cual tiene un conjunto de circuitos que controlan su movimiento y las diferentes funciones que incorporan luz, alarma, movimiento de la cámara, etc. La última parte del proyecto es una cámara inalámbrica comercial, la cual podremos observar a través del ordenador, gracias al transmisor y receptor inalámbrico que incorpora.


Estructura del robot

A la hora de elaborar la estructura del robot se ha pensado en un diseño que permita una posibilidad dinámica, permitiendo un desplazamiento del mecanismo e, incluso, al mismo tiempo, poder realizar algoritmos con el fin de que cumpla todos nuestros requisitos. Es decir, se ha incorporado una articulación que realiza la movilidad de la cámara. Ésta se mueve en diferentes sentidos “hacia arriba y hacia abajo” con el fin de poder enfocar debidamente hacia la posición deseada.

Para esta finalidad se inició una búsqueda de una gran variedad de tipos de robots existentes en el mercado para conocer y profundizar sobre las ventajas y desventajas que ofrecen, pudiendo así mejorar el diseño.

Una vez aclarada la idea del prototipo que se deseaba realizar. Se empezó a diseñar la estructura sobre la cuál se construiría este prototipo. La idea final ha sido un diseño de una base que permita al robot desplazarse por superficies donde se encuentre desniveles o terrenos exteriores en los que se requiera tener tracción en la mayor parte del tiempo. Para este tipo de características, se ha dotado de dos orugas como medio de movilidad.



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Fig.1: Oruga.


En este caso se ha utilizado un sistema que consiste en la colocación de dos servomotores, uno en cada oruga proporcionando el par necesario para su desplazamiento.

He tomado la libertad de escoger este sistema; para justificar mi decisión creo que es necesario explicar la definición de servomotor. Consiste en un pequeño dispositivo que dispone en su interior de un diminuto motor con un reductor de velocidad y multiplicador de fuerza; también dispone de un pequeño circuito que gobierna el sistema, es decir, una etapa de control. Y los recorridos de sus ejes de salida son de 180º, pero han sido fácilmente modificados para tener un recorrido libre de 360º y actuar así como motores.

Al ser motores de volumen reducido han encajado perfectamente en la base del robot, sin tenerla que modificar mucho.

Otro de los argumentos a explicar del por qué se ha escogido esta base. Es que daba facilidad a insertar los ejes





dentro de esta estructura, igual que un pequeño altavoz que se utiliza para poder escuchar la sirena o igual que los cuatro focos que se han insertado en la parte frontal de la estructura.


Diseño de los circuitos

Una vez elaborada la idea, y la función que debía de desarrollar cada circuito electrónico, se procede a elaborar el diseño de cada circuito. A través de una placa de topos se insertaban todos los componentes que componen el circuito y se elaboraban las pistas de estaño para poder unir todos los componentes entre ellos. Y con la incorporación de puntos de prueba se verificaba el correcto funcionamiento de todo el circuito.

Se utiliza placas de topos con el único fin de poder extraer, modificar y cambiar los componentes por otros en caso de obtener un funcionamiento no deseado o poder realizar nuevas evoluciones del circuito.

Y a continuación se procedía a verificar que el circuito funcione correctamente, mediante los instrumentos que disponía en el laboratorio. Y se comprobaba que el funcionamiento del circuito resultase ser el deseado.

Una vez confirmado que el circuito desempeña todas sus funciones correctamente y no nos proporciona ningún error de diseño, se procede a la implementación en PCB, es decir en circuito impreso.

Se ha utilizado Protel DXP para diseñar todos los circuitos integrados. Este programa está destinado a facilitar la tarea de diseño, desarrollo y fabricación de prototipos electrónicos.



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Fig.2: Protel DXP.


Una vez terminado el diseño de un circuito electrónico mediante Protel se procedía a su fabricación gracias a la LPKF ProtoMat C30s. Que es una máquina que realiza la fabricación de circuitos impresos. Esta fabricación consiste en aislar las pistas del resto del cobre circuidamente mediante el fresado de su contorno lateral. Es un proceso de arranque mecánico y perforación cuyo producto final es una PCB fresada y taladrada. Este sistema no hace uso de fotolitos ni ácidos, emplea en su lugar micro fresadoras de control numérico y sistemas CAD-CAM que procesan la





información de los archivos Guerber y Excellon para el mecanizado automático.

Resulta mucho más fácil, debido a que te realiza los agujeros de los pads de lo componentes con exactitud. El tiempo en realizar una placa PCB es muy inferior, ya que suele tardar de media hora a tres horas dependiendo el número de caras que esté formado el circuito, la dimensión del circuito, y dependiendo también si se desea quitarle el plano de masa para poder facilitar las soldaduras de los componentes del circuito.


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Fig.3: LPKF ProtoMat C30s.


Una de las ventajas que ofrecen la fabricación de estos circuitos integrados es la reducción de sus dimensiones, una gran fiabilidad en su funcionamiento y resulta obtener un resultado impecable.


Funcionamiento de los circuitos

Este prototipo esta formado por 7 circuitos electrónicos:


Alimentación del robot

El propósito de este circuito es alimentar de todo el robot. Este suministro de tensión está dividido en dos partes: Alimentación de 5V: Se utiliza para alimentar la placa receptora, el Control de luz y de sirena, el control de cámara, el control de los motores. La segunda parte es la Alimentación de 6V: Se utiliza para alimentar los servomotores que posee el robot. Para conseguir que el robot se pueda desplazar.

Placa emisora

El funcionamiento de esta aplicación ha sido pensado para utilizar el puerto serie del ordenador, COM1 o COM2 del ordenador. Mediante un interfaz que designa una norma para poder realizar el intercambio de datos binarios






entre un equipo terminal de datos y un equipo de Comunicación de datos denominado RS-232.

Esta comunicación se realizará de forma unidireccional o también denominado simplex, es decir que el usuario solo podrá emitir las órdenes.

En el diseño de esta placa se ha utilizado un codificador MC145026P, un puerto de comunicación entre el ordenador y este circuito electrónico, en este caso el escogido es una comunicación RS232 utilizando el puerto serie del ordenador. Aparte también se ha utilizado un convertidor de niveles lógicos de RS232 a nivel lógico TTL citado MAX232N. Y un módulo transmisor de radiofrecuencia llamado RT4.

A la hora de establecer una comunicación con el módulo receptor de radiofrecuencia hemos debido de escoger un módulo emisor, que pueda realizar la función de emisor en base al módulo receptor. Es decir que pueda establecer una emisión de datos mediante una frecuencia de 433,92MHz, igual a la del módulo receptor.


Placa receptora

El propósito de este diseño es de poder establecer una comunicación a través de un medio físico con el usuario del robot. En el diseño de esta placa se han utilizado 1 decodificador MC145027P y un receptor de radiofrecuencia RR3.

En el diseño de este circuito se ha pensado en la habilitación del resto de circuitos que componen el robot. Es decir, el usuario será el encargado de dictaminar las órdenes que desea realizar este robot, por medio de la placa emisora.

A través de la comunicación y por medio de radiofrecuencia, el receptor RR3 recibirá las órdenes codificadas por la placa emisora. El siguiente paso es el descodificar estás órdenes, para que el PIC16F84A las pueda entender. Una vez que el PIC recibe dichas órdenes a través de las entradas y mediante el programa que tiene volcado el PIC, este será el encargado de activar las salidas.

Control de los motores

Se ha realizado un circuito que proporciona al robot la movilidad en todos los sentidos de la forma más rápida.

Ala hora de realizar este circuito se ha tenido en cuenta varios factores, uno de ellos es intentar aprovechar al máximo la velocidad que proporcionan los servomotores que van que están insertados en la base del robot, y realizan la función de movilidad del robot, y otro de los factores que se ha tenido en cuenta es la realización de poder girar en ambos sentidos de la forma más rápida.

Para poder desarrollar tanto el giro a la derecha como el giro a la izquierda supone un problema añadido. Debido a que se debe conseguir invertir el sentido de un solo servomotor.

Para poder resolver este problema añadido, se ha escogido la utilización de circuito basado en el puente en H.







Control de luz y de sirena

Esta aplicación es un complemento adicional para el robot. Puede tener diferentes aplicaciones, una de ellas la de funcionar como avisador acústico, es decir, un indicador de presencia, para indicar a la gente que se encuentra en ese recinto la presencia del robot.

Mediante un sensor de luz “LDR” que incorpora este diseño de placa, una vez que se oscurece el lugar en el que se encuentre, mediante el PIC16F84A ejecute la activación de los focos que incorpora en la parte delantera el robot.

Esta aplicación se ha elaborado para poder obtener una visibilidad óptima del terreno mediante la cámara. Por razón de este sensor insertado en el robot garantiza siempre al usuario obtener una buena visibilidad del terreno en el que se encuentra el robot.


Sirena

Este diseño de placa consiste en la realización de una alarma bitonal acústica, esta alarma esta realizada con dos temporizadores 555 configurados en modo estable y un amplificador de potencia.

La función de esta alarma es la de obtener dos tonos (bitonal) los cuales escucharemos por un altavoz. Estos dos tonos tendrán de frecuencias 500Hz el tono grave y 1kHz el tono agudo.



Control de la cámara

El propósito de este diseño es mediante una cámara visualizar diferentes ángulos de vista. Donde se observará la trayectoria del robot y el usuario podrá averiguar lo que sucede en el entorno del robot.

Para la realización de esta función el servomotor utilizado es el “Futaba S3003”.



Conclusiones

Realmente se puede mencionar que ha resultado toda una experiencia la confección de este robot, es un arte que da lugar a la imaginación. Ya que nos permite ofrecer múltiples usos causados exclusivamente por la experiencia e innovación que atribuye el realizador.

Hay muchas cosas que se podrían mejorar; en el tema de la electrónica hubiera habido la posibilidad de insertar más sensores que nos darían un amplio margen en las diversas utilidades del robot, pudiendo crear una mayor movilidad y un algoritmo de la cámara más completo.

Además la inserción de servomotores más potentes hubiera significado un aumento de las capacidades del robot, ciertamente hubiera proporcionado un incremento de su movilidad y conllevaría a facilitar el desplazamiento de este diseño sobre la superficie.







En definitiva, creo que cada aplicación tiene su modelo de robot, y es imposible conseguir un prototipo que satisfaga el amplio objetivo que se pretendía al inicio de este proyecto, ya que se debe asumir que al cumplir una función a la que estaba predestinado, realice de manera menos eficaz otra propuesta no pensada en un principio.

En el aspecto de la programación se podría haber mejorado la posibilidad de los movimientos del robot, y crear una comunicación más sencilla con el usuario.

Como se ha podido observar la posibilidad de mejoras son amplias, y es que el robot es tan solo una base de la robótica aplicada, pero finalmente, debo indicar que después del arduo proceso de realización, creo que este proyecto cumple los requisitos y objetivos que indicamos en el inicio, con lo que resulta del todo satisfactorio.



Agradecimientos

Ante todo quiero agradecerles a mis padres por todo el esfuerzo que han dedicado en mí, y toda la ilusión que han mostrado desde el inicio de mis estudios hasta ahora. Creo que sin la ayuda y el apoyo que me han proporcionado en el transcurso de estos años no lo habría conseguido.

A continuación, para mi es un placer agradecer a todas aquellas personas que mediante sus enseñanzas han hecho posible que yo haya llegado hasta aquí, debido a esto, deseo dar un especial reconocimiento a todos los profesores, ya que sus conocimientos han sido vitales para convertirme en lo que soy.

Y para finalizar deseo agradecer a todas las personas, la ayuda que me han prestado: A los que han contribuido a la construcción de este proyecto, desde mi tutor de proyecto José Matas, ya que su disposición y entrega, permitieron la resolución de este trabajo y en especial, a los compañeros con los que he compartido estos años, aquellos que me han enseñado que en la vida se debe afrontar todas las adversidades, y que hicieron que estos años hayan sido diferentes a los otros.

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Referencias


[1] José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegrí Sebastiá. LabVIEW Entorno gráfico de programación. Marcombo, 2007

[2] Antonio Barrientos, Luis Felipe Peñin, Carlos Balaguer y Rafael Aracil. Fundamentos de Robótica. McGraw-Hill, 1997.

[3] G.Ferraté. Robótica Industrial. Marcombo, 1986.

[4] Fréderic Giamarchi. Robots Móviles. Estudio y construcción. Ed. Paraninfo, 2001











[5] Rafael García Senz i Elvira Guàrdia Manuel. Elements de mecànica aplicada a la robòtica. Edicions UPC, 1996

[6] Enrique Palacios, Fernando Remiro, Lucas J. López. Microcontrolador PIC16F84. Ra-Ma, 2ª Edición. 2005.

[7] Rafael Iñigo Madrigal y Enric Vidal Idiarte. Robots Industriales Manipuladores. Edicions UPC, 2002.

[8] http://www.microchip.com

[9] http://es.wikipedia.org/

[10] http://www.forosdeelectronica.com

[11] http://www.alldatasheet.com

[12] http://micros.mforos.com/

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[14] http://www.todopic.com

[15] http://www.micropic.es











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