Título. El humano necesita mecanismos que le ayuden a descifrar el mundo.

Resumen.

La robótica ha estado unida a la construcción de "artefactos", que tratan de

materializar el deseo humano de crear seres a su semejanza y que lo liberen

del trabajo. El ingeniero español Leonardo Torres Quevedo (que construyó el

primer mando a distancia para su torpedo automóvil mediante telegrafía sin

hilodrecista automático, el primer transbordador aéreo y otros muchos

inventos) acuñó el término "automática" en relación con la teoría de la

automatización de tareas tradicionalmente asociadas a los humanos.

Karel Capek, un escritor checo, acuñó en 1921 el término "Robot" en su obra

dramática "Rossum's Universal Robots / R.U.R.", a partir de la palabra checa

Robbota, que significa servidumbre o trabajo forzado. El término robótica es

acuñado por Isaac Asimov, definiendo a la ciencia que estudia a los robots.

Asimov creó también las Tres Leyes de la Robótica. En la ciencia ficción el

hombre ha imaginado a los robots visitando nuevos mundos, haciéndose con

el poder, o simplemente ayudando en las labores caseras.

Román Gubern analiza en su libro “El simio informatizado” los motivos del ser

humano para crear seres artificiales a su imagen y semejanza. Algunos

robots están diseñados hoy en día para parecerse a los humanos. La robótica

ha alcanzado un nivel de madurez bastante elevado en los últimos tiempos, y

cuenta con un correcto aparato teórico. Sin embargo, al intentar reproducir

algunas tareas que para los humanos son muy sencillas, como andar, correr

o tomar un objeto sin romperlo, no se han obtenido resultados satisfactorios,

especialmente en el campo de la robótica autónoma.

A pesar de ello se espera que el continuo aumento de la potencia de los

ordenadores y las investigaciones en inteligencia artificial, visión artificial, la

robótica autónoma y otras ciencias paralelas permitan acercarse cada vez

más a los milagros soñados por los primeros ingenieros y también a los

peligros que adelanta la ciencia ficción.

Introducción. Un robot rover es un tipo de robot mecánico, normalmente programable, con

funciones parecidas a las de una pinza mecánica capaz de sujetar objetos de

manera lineal; este puede ser la suma total del mecanismo o puede ser parte

de un robot más complejo. Las partes de estos manipuladores están

interconectadas a través de articulaciones que permiten, un movimiento semi

rotacional (tales como los de un robot de la NASA), como un movimiento de

traslación o desplazamiento lineal.

Robot Rover. El efector final, o robot rover, se puede diseñar para realizar tareas de

exploración que se deseen como puede ser recolectar pequeños objetos,

sujetar, etc., dependiendo de la aplicación. Por ejemplo el robot rover de la

NASA en las misiones correspondientes, era el encargado de la exploración y

posterior recaudación de muestras. En algunas circunstancias, lo que se

busca es una simulación de la mano humana, puesto que el humano no

puede hacer presencia en sitios como Marte.

Tipos. Triciclo

Esta arquitectura es similar a la de un triciclo, en donde se emplea una sola

rueda delantera tractora y dos ruedas traseras pasivas. Un problema

asociado con esta arquitectura es que el centro de gravedad del vehículo

tiende a irse hacia las ruedas traseras, lo que provoca una posible pérdida de

estabilidad en una cuesta.

Dirección Ackerman

Se usa en prácticamente en todos los automóviles de la industria.

Se diseña de forma que la rueda delantera interior a la curva se rota un

ángulo mayor que la rueda delantera exterior, de forma que se evita que las

ruedas patinen. Las rectas perpendiculares desde cada una de las ruedas

delanteras y traseras intersecan en un punto que es el centro instantáneo de

rotación del movimiento.

Propulsión sincronizada

Se aplica a robots de tres o más ruedas, las cuales se encuentran

mecánicamente acopladas de forma que todas las ruedas giran en la misma

dirección a la misma velocidad, pivotando al unísono sobre el eje de giro de

cada rueda cuando el robot quiere girar. Esta arquitectura es en la que

menos errores se cometen, cuando se intenta estimar la posición del robot,

ya que las ruedas no patinan al ser sometidas a un esfuerzo de forma

paralela e igual por la misma fuerza.

El acoplamiento mecánico necesario se consigue usando una cadena, una

correa o un sistema de engranajes. También se puede conseguir poniendo

un motor en cada rueda de forma que se actúe de forma sincronizada en

cada una de las ruedas.

La cinemática del robot es muy sencilla; la orientación del robot coincide con

la de las ruedas y el desplazamiento del robot coincide con el de cualquiera

de las ruedas.

Sistemadepropulsiónsincronizada

Objetivo.

Lo que se pretende hacer con este proyecto es dar a conocer el

funcionamiento de un robot Rover modelo a escala a través de un

microcontorolador (pic) además de difundir la forma de elaboración,

elementos necesarios para su fabricación etc.

Otra finalidad de este proyecto es difundir y demostrar a los alumnos de

bachillerato el funcionamiento del robot además de intentar incentivar

a los alumnos a que estudien carreras de corte científico.

Objetivo General.

Comprender el funcionamiento de un microcontrolador y un sistema de

tracción de propulsión sincronizada así como el funcionamiento de un

sistema de engranaje y cuatro motores con funcionamiento independiente.

Objetivos Específicos.

Entender el funcionamiento de un robot Rover y a su vez recordar y utilizar

conceptos básicos de mecánica y robótica para la elaboración del mismo.

Objetivos del Diseño

1. Seguridad: Dado que el entorno de trabajo de este robot manipulador es

un entorno humano, el diseño debe velar por la seguridad de los seres

humanos que cohabitan con dicho robot. Para ello hay que tener en cuenta

diversas consideraciones en cuanto a los materiales empleados, así como

sus formas de manera que el diseño final resulte lo menos agresivo posible.

Este requerimiento condiciona aspectos como la elección de los materiales

de fabricación del robot e incluso la sección de loselementos constitutivos

del mismo.

2. Ligero: Uno de los requisitos indispensables del diseño pasa por obtener

un manipulador lo más ligero posible ya que este requerimiento guarda una

relación directa con otros aspectos como la seguridad con la estabilidad y con

el aumento del ratio carga/peso, a menor peso del robot mayor podrá ser el

peso de los objetos a manipular sin comprometer la estabilidad del robot.

Además existen otros efectos como el impacto que tiene en un consumo

energético menor así como el aumento de la velocidad del movimiento del

robot.

Capacidad de carga: Esta característica es deseable que sea elevada para

así poder manipular un mayor número de objetos. En este diseño se logró

una capacidad máxima de carga de aproximadamente 1 kg

Hipótesis Diseñar y construir un prototipo de un robot Rover que explore las

posibilidades de su utilización para resolver problemas en la exploración de

sitios, así como para la recolección de pequeñas muestras.

Desarrollo. Se desarrollo y fabricó un prototipo de robot Rover controlado por un

PIC16F88, dos tarjetas pc y un sistema de control inalámbrico; para asistir a

los estudiantes en el aprendizaje de materias relacionadas con mecánica

racional, electrónica, programación, física, matemáticas y robótica.

Se podrán utilizar materiales fáciles de mecanizar, aunque no sean los más

idóneos para su producción definitiva sin embargo nos darán una idea para

su futura modificación o diseño.

Para este proyecto se ocuparon los siguientes materiales y componentes los

cuales se detallan en el siguiente aparatado.

1. Plástico : por su facilidad para encontrar, moldear y su bajo costo fue la

opción más viable para ocuparlo como chasis del proyecto, y en otros

componentes del mismo.

2. PIC 16f88: En los últimos años se ha popularizado el uso de este

microcontrolador debido a su bajo costo y tamaño. Se ha utilizado en

numerosas aplicaciones, que van desde los automóviles a decodificadores de

televisión. Es muy popular su uso por los aficionados a la robótica y

electrónica.

Puede ser programado tanto en lenguaje ensamblador como en Basic y

principalmente en C, para el que existen numerosos compiladores, pero

hemos decidido que nos será de mayor facilidad usar lenguaje C.

3. Motores de corriente continua : por la gran precisión y control con la

mínima cantidad de componentes (circuitos) que se necesitan para

controlarlo fue por lo que se eligió entre otros tantos motores, de los cuales

utilizaremos cuatro, dos se utilizarán junto con un circuito de engranaje para

lograr el sistema de propulsión sincronizada que deseamos en las ruedas; y

otros dos que se encargarán de cumplir las funciones básicas del robot.

4. Placa fenólica : se eligió este tipo de estructura ya que es más fácil de

trabajar,nos brinda la practicidad de que el diseño del modelo no perderá

estabilidad, por otra parte minimiza el costo ya que eliminamos el tener que

comprar protoboard frecuentemente.

5. Dos tarjetas electrónicas, las cuales hemos decidido hacer a mano con la

placa fenólica.

1. Base móvil.

Esta base está constituida por una plataforma de plástico o chasis de base

cuadrada y semicurva en el frente y una estructura de movimiento de tipo

lineal. Tiene un área aproximada de 30 cm una altura en torno a 15 cm, del

robot en general .

Lleva integrada una tarjeta controladora PC de a bordo, que permite controlar

conjuntamente los movimientos correspondientes a la base y a la tenaza

manipuladora. Además, está equipada con 6 ruedas dispuestas en línea.

Debido a que se trata de un sistema de propulsión sincronizada las dos

ruedas delanteras le darán soporte en esta parte al robot, las traseras tendrá

la función de darle estabilidad; son ruedas motrices asociadas a dos motores

tipo corriente continua , conreferencia DXA44KP0.

Las ruedas motrices dan lugar al movimiento tipo lineal, que permite al robot

avanzar

La cinemática de la base móvil responde a la siguiente expresión :

Donde v y ω son las velocidades lineales, respectivamente, vr y vl las

velocidades de las ruedas , y d la distancia entre los ejes de ambas ruedas.

2. Una tenaza manipuladora ligera

La tenaza manipuladora constituye el elemento fundamental del robot

Rover. Está compuesto por elementos rígidos conectados por medio

De una tarjeta pc que mandara la señal al resto de los circuitos para que

pueda operar,

Está diseñado para dotar a Rover de una notable agilidad para realizar

tareas de toma y desplazamiento de objetos,combinando los diversos grados

de libertad de los que dispone.

3. Sistema locomotor.

El sistema locomotor del manipulador móvil está constituido por la base móvil

previamente descrita, En la base se ubican los siguientes elementos. Las baterías.

El sistema de control base-manipulador a señal .

El sistema de control de la tenaza sujeta objetos .

El sistema de procesamiento (tarjeta pc) .

Las etapas de potencia para los accionadores (motores de corriente directa).

4. Sistema de alimentación

La base móvil alberga el sistema de alimentación compuesto por las baterías

que dotan de autonomía a todo el robot. Se ha optado por la conexión serie

de 4 baterías de 1.5V. UM 3 AA R6 para proporcionar una tensión de

alimentación de 6V en continua. Ya que deben proporcionar toda la potencia

necesaria para el funcionamiento del sistema robótico, uno de los requisitos

en su elección ha sido la necesidad de utilizar baterías fáciles de conseguir.

En concreto, las baterías seleccionadas son el modelo Ultra Hyper de

Panasonic.

5. ¿Pero cuál cable es cuál?

Los cables de los motores son normalmente codificados en colores como en

el esquemático.

Hitec, Futaba yHobbico usan la misma convención. JR y Graupner tienen el

control de color Naranja(Pero el orden de la instalación eléctrica es igual que

Futaba). Otros como Sanwa (Airtronics) tienen la línea de GND azul. Otros

Sanwa tienen todos los cables negros, con la raya roja a un lado. El alambre

rayado es Vcc, elsiguiente es GND y elúltimo es la señal de control

(clasificación diferente que Futaba). Los Hitec, Futaba o Hobbico y tienen

esta distribución: Señal de control (Amarillo o Blanco)Vcc (Rojo) GND

(Negro).Los números y las posiciones de los cables en el esquemático son

arbitrarias, hay que verificar antes de conectarlo. Una señal de voltaje mal

polarizada puede dañar los motores.

6. Suministro de Voltaje

El voltaje nominal es el que un pack de pilas de 4x1.5V de Panasonic puede

dar. En la práctica, esto puede variar significativamente. Algunas compañías

producen paquetes de pilas de 5 unidades NiCd, con un voltaje nominal de

6.0V, pero tienen entre 6.5 ~ 7V cuando están recién cargadas.

Supongamos que los motores trabajan con un paquete de pilas NiCd de 4

unidades, a 4.4V.

Pero la respuesta sería algo lenta. Así que se puede trabajar entre 4.4 V y 7.0

V,. Eso lo decide cada cual. Recomendamos usar 5V sin problemas. Se

puede usar una fuente de voltaje de 5V, incluso usar integrados reguladores,

como el 7805; sólo no alimenta la tarjeta pc o su circuito impreso con un buen

desempeño, sino que también puede alimentar dos motores .La corriente que

requiere depende del tamaño del motor. Normalmente el fabricante indica

cual es la corriente que consume el motor. Eso no significa mucho si todos

los motores van a estar moviéndose todo el tiempo. La corriente depende

principalmente del torque usado por el motor y puede exceder más de un

amperio si el motor está enclavado. Es mejor seguir las especificaciones del

motor que el fabricante indica cual es.

7. Sistema manipulador

Con objeto de realizar las tareas de manipulación, se equipó al manipulador

móvil

de una tenaza robótica ligera de seis grados de libertad.

Las características principales de este brazo manipulador son:

• Redundancia cinemática similar a los modelos desarrollados por la NASA.

• Masa del conjunto de 20 gramos.

• Capacidad de carga máxima de un kilogramo.

• Relación carga/peso entre 1:3 y 1:4.

• Alcance en torno a 25 milímetros.

El objetivo en lo que al brazo manipulador se refiere ha sido desarrollar un

brazo ligero, basado en el uso de nuevos componentes electromecánicos de

altas prestaciones que permitan disminuir el peso y por lo tanto reducir el par

necesario para mover la tenaza, lo que a su vez permitirá disminuir también

el peso de los componentes y aligerar la estructura. Un requisito

indispensable era la ligereza de la tenaza por lo que se planteó que el peso

de la tenaza no superase los 25 gramos.

Para ello y como elementos constructivos se utilizaron:

• Motores sin escobillas “Brushless” de CC (Corriente Continua), con

materiales magnéticos de tierras raras, que tienen la ventaja de dar mayor

par, para peso equivalente, que los motores de continua convencionales. Se

utilizaron además motores brushless que permiten alimentar directamente en

corriente continua a los accionadores.

8. Sistema de procesamiento. (Grabado de las placas)

Materiales.

• Papel fotográfico glossy marca EPSON, ref. SO41126

• Placa de circuito impreso (sierra y lija de grano medio)

• Un plancha

• Un par de túpers

• Lija de metal fina

• Papel de cocina o un paño limpio

• Agua oxigenada

• Aguafuerte

• Tijera, alcohol, pinzas y un punzón de punta finito

• Un cepillo de dientes viejo

• Un rotulador permanente (indeleble)

• Y otros materiales que se mencionaran conforme al procedimiento lo

requiera.

Pasos: Preparación de la placa.

Recortar el circuito que previamente habremos obtenido en una impresora

láser. (Hay que recordar la importancia que tiene usar el papel indicado y

procurar también no tocar la zona impresa con los dedos; se tendrá que

tomar por los bordes).

A continuación marcamos sobre la placa de circuito impreso la zona que

posteriormente recortaremos con la sierra. Se debe dejar algo de margen al

marcar, ya que esto facilitará las tareas de planchado. (Medio centímetro de

más en cada lado estará bien).

Cortamos la placa guiándonos de las marcas.

Retiramos todas las rebabas que han quedado del corte; para ello frotamos la

placa por las dos caras por cada uno de los bordes. La siguiente tarea es

pulir ligeramente la superficie de la placa para que el toner adhiera mejor.

Para ello, humedecemos un trozo de lija fina para metal en agua, mojamos la

placa y la lijamos suavemente por toda la superficie.

Se notará que el cobre pierde su aspecto brillante y queda ligeramente

rayado. Hay que procurar pulir bien toda la superficie, especialmente por las

partes laterales.

Al terminar, la mojamos bien de nuevo y la secáis con un paño limpio o un

papel de cocina. Para eliminar bien todas impurezas que pudieran quedar

sobre la placa, apoyamos esta sobre la mesa le echamos unas gotas de

alcohol isopropílico y lo limpiamos bien. También se puede utilizar alcohol

normal, es menos efectivo pero sirve.

A partir de ahora, no se podrá tocar el cobre de la placa con los dedos, si se

necesita tomara, se debe hacer con cuidado por los bordes.

Grabado de la placa. Terminada la fase de pulido y limpieza del cobre, pasamos ahora a la etapa

de planchado, que fijará el tonner sobre la superficie de la placa. Primero

colocamos la hoja recortada boca abajo sobre el cobre, centrada.

Se coloca una tabla vieja debajo de la placa, (si se hace la operación sobre

una mesa de casa, ya que al calentarse la placa podría decolorarse o

levantarse el barniz de la mesa).

A continuación y con la plancha muy caliente -posición de algodón y sin

vapor- se empieza el planchado.

Enseguida el toner empezará a desprenderse y pegará la hoja al cobre. Se

calienta bien la placa. Se deja la plancha un rato encima, y después se

plancha con fuerza por toda la superficie.

Terminado el planchado, con unas pinzas se coloca la placa en agua, al

contacto con ésta crepitará. Eso es buena señal. Se debe dejar reposar

durante un rato.

El papel se desprenderá sin problemas en pocos minutos. Se puede ayudar

moviendo el recipiente haciendo olas, igual que durante el lavado. Debe

despegarse sin ayuda. No se debe forzar. Si no es así se debe dejar un poco

más en remojo. En cuanto seque se observará que tiene pegado trocitos de

papel, los cuales retiraremos en un momento.

Retocando el grabado. El papel que está encima de las pistas no nos molesta, pero el que se

encuentra uniendo pistas distintas hay que eliminarlo. Para ello mojamos de

nuevo la placa y con un cepillo de dientes húmedo frotamos la superficie. Si

el toner está bien fijado no se desprenderá.

Movemos el cepillo en la dirección de las pistas. Secamos y observamos el

resultado.

Lavado de la placa. Pasamos a la fase de lavado. En ella sacaremos el cobre de la placa excepto

de las zonas grabadas. Para ello emplearemos productos químicos: clorídrico

y agua oxigenada. El primero de ellos es tóxico por inhalación o contacto y se

emplea a nivel doméstico para limpieza. Se compra diluido y también se le

llama aguafuerte, comercialmente Salfumant.

Lo encontramos en cualquier súper y es muy barato. El agua oxigenada del

súper es la misma que la de la farmacia y más barata.

Se debe tomar precauciones; las operaciones siguientes se deben llevar a

cabo en un lugar ventilado, utilizar mascarilla de fieltro, guantes, una bata o

ropa vieja y unas gafas plásticas.

Se necesita: aguafuerte, agua oxigenada y un recipiente plástico en el que

quepa la placa. Se debe tener preparado otro recipiente con agua corriente.

También usaremos un vaso plástico para medir las cantidades de los

líquidos. Se le hacen unas marcas con un rotulador, ya que ambos se

emplean en partes iguales.

Medimos cantidades iguales de ambos líquidos y los vaciamos con cuidado

en el recipiente plástico. Seguidamente colocamos la placa y veremos como

el conjunto toma una tonalidad verde, por efecto de la reacción química. No

hace falta llenar el recipiente, basta que la placa nade en un par de dedos de

líquido. Para acelerar el proceso, y acabar antes, se mueve con cuidado el

recipiente, haciendo olas. Despacio para que no desborde y no mojar la

mesa.

Se retira la placa y se coloca en el recipiente que teníamos preparado con

agua limpia. Los productos químicos usados no se deben tirar de golpe por el

fregadero, se deben echar diluidos con agua abundante poco a poco.

Con la misma lija que empleamos para pulir el cobre, lijamos la placa. Se

verá cómo se van descubriendo las pistas. Lijamos y lavamos la placa varias

veces hasta que no quede resto de toner.

Perforado de la placa. La placa está prácticamente lista; falta taladrarla, para lo que, previamente

haremos unas guías con un punzón donde van los agujeros, para que al

taladrar la broca no resbale.

Los agujeros se hacen de 0.7mm (la mayoría de los componentes usan este

diámetro) y luego se amplía a 1mm (conectores, puentes…) o 1,5mm

(bornas).

Estañado de la placa. La siguiente operación es el estañado. Aunque no es imprescindible, facilitará

enormemente la soldadura y además protegerá el cobre de la oxidación.

Previamente se barniza bien el cobre con Flux (una resina que se vende en

tiendas de electrónica, barata). Luego se va pasando el soldador con la punta

ligeramente estañada por todas las pistas y quedarán marcadas con una

capa plateada. Al acabar se limpia el líquido que desprende la operación con

un paño.

Montaje de componentes. Se rebaja un poco el grosor, recortamos con la sierra, lijamos los bordes,

preparamos los componentes, soldamos con cuidado, y probamos el

montaje.

Las conexiones a la placa serán así:

PIN 8 -> I1

PIN 9 -> I2

PIN 11 -> EA

PIN 6 -> I3

PIN 7 -> I4PIN 10 -> EB

8. Código fuente

No hay mucho que decir acerca del código fuente. Hemos realizado un

pequeño conjunto de funciones que permiten hacer avanzar o retroceder a la

velocidad y el sentido que queramos. Al inicio del programa, en la función

Setup() definimos los pines como salidas y luego en el bucle principal, en la

función Loop(), he puesto una secuencia de avance durante dos segundos,

retroceso durante otros dos segundos, giro izquierda y giro derecha de dos

segundos también.

Luego el programa vuelve a comenzar. Es una buena forma de hacer las

primeras pruebas y ver cómo se comporta el robot. Para girar, se necesita

hacer girar la parte izquierda al contrario de la parte derecha. Es el mismo

sistema que los tanques. Con distintas velocidades podremos girar más o

menos según sea necesario.

Resultados.

Tras mucho pensar y experimentar acerca del diseño del robot rover, se

decidió realizarlo de la forma anteriormente planteada, ya que muestra

perfectamente el funcionamiento del robot.

Se logró analizar y aplicar los conceptos básicos de la industria robótica a su

vez, llevamos a cabo el proceso correspondiente a la obtención de un modelo

robótico móvil funcional.

Bajo costo.

Por último y no por ello menos importante, se ha contemplado durante el

desarrollo del proyecto la elección de elementos que cumpliendo todos los

aspectos anteriormente mencionados supongan el menor costo.

El diseño final ha tratado de satisfacer todos los requerimientos impuestos,

pero teniendo en cuenta que el cumplimiento excelente de todos ellos es una

utopía, por lo que la solución adoptada pasa por la búsqueda de un

compromiso que satisfaga en mayor medida todos los objetivos de diseño.

Conclusiones.

Los robots desde su creación han tenido una gran utilidad para el hombre ya

que se han requerido para suplirlo o ayudarlo en sus tareas diarias, en este

caso, el modelo desarrollado ayudará a la colecta de muestras u objetos.

Para modificar el robot hay que crear otro programa, además de repetir el

proceso de grabado de tarjeta.

El sistema de propulsión sincronizada es muy apto para el desarrollo de un

robot móvil.

BIBLIOGRAFÍA.

Referencias teórico-prácticas.

Stuart J.Russell, Peter Norving. 1996. Inteligencia Artificial: un enfoque

moderno, México, Prentice Hall Hispanoamericana.

Craig John J. 2002. Robótica, España, Person. Formato electrónico.

ISBN: 9786074426021

Peter Norving, 2007. Robótica siglo XXI, Capítulo XXV Robótica, España,

Person España, Formato electrónico

ISBN: 9788490352465

Otros tutoriales complementarios sobre control de motores:

http://www.x-robotics.com/motorizacion.htm#MOTORES%20PaP

http://robot3ejes.galeon.com/

Teoría básica de control de un motor Paso a Paso:

http://www.todorobot.com.ar/informacion/tutorial%20stepper/stepper-

tutorial.htm

http://perso.wanadoo.es/luis_ju/ebasica2/mpp_01.html