jueves, 13 de noviembre de 2014

MI PEQUEÑO ROBOT

Integrantes
-María alejandra Mora
-Yovani Caloghero Gil ramos
-Gina Paola Núñez Barrera
 -903
     
JUSTIFICACIÓN

            PLANEAMOS REALIZAR ESTE PROYECTO PARA PASAR NUESTROS  LÍMITES EN LA CIENCIA Y MECANISMO,EN QUE SE VASA Y ASÍ PODREMOS SACAR UNA NOTA SATISFACTORIA PARA NUESTRA PROMEDIO.
OBJETIVOS
1 GENERALES: DISEÑAR E IMPLEMENTAR UN ROBOT SEGUIDOR DE LINEA PARA DEMOSTRAR LAS FUNCIONES Y BENEFICIOS,COMO SERIA PARA LA CALIDAD DE VIDA  PARA LA HUMANIDAD EN ESTOS AÑOS QUE PASARAN .
2 ESPECÍFICOS: 1- MEJOR EL PROMEDIO ,2-SABER  MAS  DE EL TEMA, 3-APRENDER TODO LO QUE VAMOS  A HACER EN EL ROBOT.
MATERIALES  NECESARIOS
ü RUEDAS
ü MOTORES
ü SENSORES
ü CABLES
ü BASE
ü CINTA NEGRA
ü RUEDA LOCA
protoboard

•     Estructura básica
•              Estos robots pueden variar desde los más básicos (van tras una línea única) hasta los robots que recorren laberintos. Todos ellos, sin embargo, poseen (por lo general) ciertas partes básicas comunes entre todos:
•              Sensores: Un rastreador detecta la línea a seguir por medio de sensores. Hay muchos tipos de sensores que se pueden usar para este fin; sin embargo, por razones de costos y practicidad los más comunes son los sensores infrarrojos (IR), que normalmente constan de un LED infrarrojo y un foto transistor.
•              Motores: El robot se mueve utilizando motores. Dependiendo del tamaño, el peso, la precisión del motor, entre otros factores, éstos pueden ser de varias clases: motores de corriente continua, motores pasos a paso o servo motores.
•              Ruedas: Las ruedas del robot son movidas por los motores. Normalmente se usan ruedas de materiales anti-deslizantes para evitar fallas de tracción. Su tamaño es otro factor a tener en cuenta a la hora de armar el robot.
•              Fuente de energía: El robot obtiene la energía que necesita para su funcionamiento de baterías o de una fuente de corriente alterna, siendo esta última menos utilizada debido a que le resta independencia al robot.
•              Tarjeta de control: La toma de decisiones y el control de los motores están generalmente a cargo de un micro controlador. La tarjeta de control contiene dicho elemento, junto a otros componentes electrónicos básicos que requiere el micro controlador para funcionar.
•              Funcionamiento
•              Todos los rastreadores basan su funcionamiento en los sensores. Sin embargo, dependiendo de la complejidad del recorrido, el robot debe ser más o menos complejo (y, por ende, utilizar más o menos sensores).
•              Los rastreadores más simples utilizan 2 sensores, ubicados en la parte inferior de la estructura, uno junto al otro. Cuando uno de los dos sensores detecta el color blanco, significa que el robot está saliendo de la línea negra por ese lado. En ese momento, el robot gira hacia el lado contrario hasta que vuelve a estar sobre la línea. Esto en el caso de los seguidores de línea negra, ya que también hay seguidores de línea blanca.
•   Las dos maneras más comunes de armar los rastreadores son: OPAMPS (Amplificadores Operacionales), o con simples transistores trabajados en su zona de saturación. Esto dependiendo de la complejidad con la que se quiera armar el circuito. Podemos utilizar un micro controlador para realizar las funciones de control o guardar en él la forma del recorrido por una pista.


   

DESARROLLO DEL TEMA
Planteamiento del problema
Hoy en día se considera la fabricación de un robot de un robot lineal como un método avanzado de tecnología y ciencia y consideran algo difícil de hacer en el cual hay muchos métodos de mecanismos al desarrollar nuestro proyecto al pensar que nosotros podemos hacer nuestro propio robot seguidor de línea al que hemos proyectado durante todo este periodo al desarrollarse sus planos y demás conclusiones.
  



OBJETIVOS
Generales
Este robot ayudaría a una generación de la vida cotidiana en el que se implementa en el hogar, haciendo deberes que al hombre le parecería tedioso  ya que se podría marcar una línea para que el robot pueda seguir a su destino para hacer esa orden para lo que está programado.
EJ: traer el periódico o facturas.
ESPECÍFICOS
En este proyecto deseamos alcanzar una nota satisfactoria y a la vez que las demás personas miren nuestros logros al desarrollar nuestro proyecto Mi Pequeño Robot.




DESARROLLO DEL TEMA

Referencias
•     Robot seguidor de línea.
•     Los robots seguidores de línea son robots muy sencillos, que cumplen una única misión: seguir una línea marcada en el suelo normalmente de color negro sobre un tablero blanco (normalmente una línea negra sobre un fondo blanco). Son considerados los "Hola mundo" de la robótica.




Concepto y teoría 
Iniciando por la forma que tendrá el seguidor, existen básicamente dos configuraciones distintas:
-Tipo diferencial: la mayoría usa este sistema pues es más sencillo de fabricar, y sirve como un "hola mundo" en esto de la robótica, sin embargo el objetivo de este proyecto es crear un robot de competencia, así pues será mejor usar la otra configuración.


-Tipo triciclo: más veloz y estable que el otro tipo de robots, aunque requieren de una fabricación más cuidadosa y precisión mecánica mayor. Mientras que el diferencial tiene dos motores, uno de cada lado, el tipo triciclo usa uno para generar un movimiento de tracción en el centro del robot y otro funcionara como un volante que dirigirá la trayectoria. También lo conocen como robot velocista.


Aquí hay algunas capturas de los diseños que hice a mano alzada, lo importante de esto no es la exactitud en los trazos, sino en tener un concepto previo de la forma del robot.
Me decidí por este último, debido a varios factores como la facilidad de fabricarlo, el tamaño, el material que sería usado para su construcción, etc. 


Anteriormente ya había construido un robot de este estilo, pero fue poco eficiente, sin embargo de ello aprendí varios puntos que mencionare a lo largo de estos post para mejorar este robot y ayudar a aquellos que quieran construir el suyo. 


Posteriormente tengo imágenes de los cálculos de física en el área de cinemática, no muy avanzados, pero nos darán una idea de las posibilidades que tendrá un robot como este.
El motor de tracción que se usara para impulsar el robot es este.
http://www.pololu.com/catalog/product/999 

De ahí obtuve las especificaciones de la llanta de tracción.

El coeficiente de fricción de la llanta lo obtuve por medios experimentales. Este aspecto es importante pues a mayor fricción menor perdida de energía, sin embargo requiere de un mayor troque y esto disminuye la velocidad de la llanta, por esa razón se busca el material adecuado para las llantas. 


Por experiencia considerare que el peso del robot deberá estar por debajo de los 300 gr.
Para ello el material de fabricación será aluminio. Si es más pesado el motor no lo moverá.
Basados en los cálculos, un robot con ese motor carrera a una velocidad de 2.3 m/s.
Ahora queda por determinar el tipo de dirección del cual se pueden considerar dos tipos.
-Tornillo sin fin: mecanismo que genera un buen toque, pero disminuye considerablemente la velocidad del motor usado, y puedo garantizar que una de las principales razones de la poca rapidez de un robot así es su poca velocidad en el sistema de dirección. 


-Empalme sencillo: se coloca el eje del motor directamente al sistema de dirección, para poder hacer algo así se requiere que el motor genere un torque por sí mismo que permita girar el robot, su fijación se logra con un opresor que fija un cople al eje del motor. 


Tomé la segunda opción como la más correcta debido a su efectividad y simplicidad. Para saber que motor se necesita, aquí pongo una imagen de los cálculos que permiten determinar el modelo de motor más adecuado, considerando que la línea a seguir será de 20 mm y la vuelta más crítica es un Angulo recto, es decir un giro de 90 grados que deberá alcanzarse en 8 milisegundos. 


Conclusiones
-La configuración del robot será tipo triciclo.
-Su peso no debe sobrepasar los 300 gr.
-La velocidad máxima es de 2.3 m/s, esto puede variar según los aspectos mecánicos y electrónicos.
-Los motores a usar serán dos micro reductores marca polola de relación 10:1 hp.


4)      MATERIALES

Ø  Batería 12VØ  LM7805Ø  Resistencia de 20Ø  Resistencia 220 ΩØ  Resistencia  10K Ø  Resistencia  1kØ  Transistor2N3904Ø  Led infrarrojo 5mmØ  Fotodiodo 5mmØ  Led 5mm (indicador estado sensor)Ø  Compuerta 74LS32 Ø  Inversora-disparador Smith Trigger 40106Ø  L293B (driver de los motores)Ø  1N4004 (Diodo de protección de motores, 2 por cada motor)Ø  Motores DC con caja reductora (2 motores)Ø  Rueda locaØ  LlantasØ  Chasis

·      MOTOR: Los motores muestran la potencia y la velocidad con que se va a mover el carro, se suele utilizar motores con caja reductora que nos garanticen un buen torque, para el carro se necesitan dos motor reductores.

·      RUEDA LOCA: La dirección del carro en la curvas y en las rectas se encuentra guiada por una rueda loca se coloca en la parte trasera del chasis o en la parte del medio entre las llantas y la rueda loca.

·      LLANTAS: Las llantas deben ser preferiblemente de caucho, garantizando buena adherencia a la pista.

·      SENSORES: En el artículo Sensor infrarrojo con detector de tonos puede implementar un sensor con frecuencia modulada y libre de interferencias.
Los sensores ópticos del carro son las entradas de señal de ellos depende el movimiento de los motores del carro.

·      SENSOR ÓPTICO AUTO-REFLEX: En un artículo anterior se mostró un sensor infrarrojo con un seguidor de voltaje, en este artículo vamos a trabajar con un transistor 2N3904 (NPN) en reemplazo del seguidor de voltaje. El transistor está compuesto por una base, un emisor y un colector: Base: Se encuentra precedida por una resistencia de 1KΩ a 1/2W recomendada por el fabricante para que llegue la corriente adecuada a la base y esta pueda ser excitada. Emisor: Se conecta a 0VColector: Se encuentra precedido por un LED INDICADOR con su respectiva resistencia y está conectada a 5V.En el momento que a la base llega corriente esta conmuta y hace unión entre el colector y la base haciendo que el LED INDICADOR encienda y se obtenga un voltaje en la señal de salida (3,8V).

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
Para la realización del carro seguidor de línea necesitamos de cuatro sensores:- 2 sensores, fieles a la línea negra- 2 sensores, el carro se detiene en el cuadro negro
 Los sensores se deben ubicar en la estructura del carro, ojala con un sistema para su desplazamiento y graduación de altura tanto del emisor como del receptor.
·         En la parte eléctrica trabajamos con:

CONTROL DE VOLTAJE
Si se trabaja con una batería de 12V o superior a 5V es necesario utilizar reguladores de voltaje. Los sensores y circuitos integrados que controlan el carro consumen 5V y como se tiene una batería superior a 5V se utiliza un regulador de voltaje puede ser un 7805 con su respectivo disipador.
Por el pin 1 entra el voltaje de la batería, el pin 2 va a 0V de la batería y por el pin3 obtenemos 5V
 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

La finalidad de este proyecto es la de un carro seguidor de línea negra en fondo blanco si evaluamos la tabla que nos entrega los sensores, estos censan cuando están en color blanco, la mayoría de la pista es de color blanco, sería mejor acondicionar la señal para que los sensores censen en color negro para esto debemos invertir la señal de los sensores con una compuerta veamos:
Utilizamos el integrado 40106 que además de ser inversora es un disparador Smith Trigger que mediante la entrada de un voltaje entre el rango de 0V a 5V este nos convierte esta señal en una señal digital pura.

·         CUADRO NEGRO
Para este circuito utilizamos una compuerta OR de tecnología TTL, como la 74LS32. Aquí está la configuración de pines:
 CONTROL DE MOTORES

Veamos lo siguiente teniendo en cuenta:
- 0     No censa línea negra
- 1     Censa línea negra
- SR   Sentido manecillas del reloj
- IR    Inverso sentido manecillas del reloj


Sensor de línea negra
Motor
Dirección
Centro
Izquierda
CI
Centro
Derecha
CD
Izquierdo
MI
Derecho
MD
Carro
0
0
IR
IR
Reversa
0
1
SR
IR
Curva derecha
1
0
IR
SR
Curva izquierda        
1
1
SR
SR
Adelante

Para esto vamos a utilizar el driver para motores L293B que maneja señales de control para nuestro caso son los sensores y a partir de esta se puede controlar hasta 2 motores y su sentido de giro a través de un puente H.

Este integrado en su pin1 y pin9 maneja el Enable (habilitador), si es un 1 lógico habilita el canal para que el motor gire pero si es un 0 lógico inhabilita el canal evitando que el motor gire
 Recordaran que hicimos un circuito para que el carro pare en el cuadro negro, la señal de salida de ese circuito se lo mandamos tanto al pin1 como al pin9 y con esto logramos que el carro seguidor de línea pare en el cuadro negro de 120mm x 120mm.


PLANO DEL CIRCUITO DEL CARRO SEGUIDOR DE LÍNEA.



   
              


     

CARRITO DE SEGUIDOR DE LINEA

CONCLUSIONES
  • Todos los rastreadores basan su funcionamiento en los sensores. Sin embargo, dependiendo de la complejidad del recorrido, el robot debe ser más o menos complejo (y, por ende, utilizar más o menos sensores).
Los rastreadores más simples utilizan 2 sensores, ubicados en la parte inferior de la estructura, uno junto al otro. Cuando uno de los 2 sensores detecta el color blanco, significa que el robot está saliendo de la línea negra por ese lado. En ese momento, el robot gira hacia el lado contrario hasta que vuelve a estar sobre la línea. Esto en el caso de los seguidores de línea negra, ya que también hay seguidores de línea blanca.

  • Las 2 maneras más comunes de armar los rastreadores son: OPAMPS (Amplificadores Operacionales), o con simples transistores trabajados en su zona de saturación. Esto dependiendo de la complejidad con la que se quiera armar el circuito. Podemos utilizar un microcontrolador para realizar las funciones de control o guardar en él la forma del recorrido      por una pista. También sirve como escaneador eléctrico .


Diagrama electrónico del carrito seguidor de línea (dé click en la figura para para ampliar):



En la siguiente foto se identifican las componentes del carrito seguidor:


Introducción
El Skybot es un robot móvil, que se desplaza mediante dos ruedas motrices y está dotado de sensores para reaccionar ante estímulos del medio. Es un robot "hola mundo". Está pensado para aquellos que quieren iniciarse en el mundo de la robótica y los microcontroladores. A diferencia de otros, el Skybot NO es un juguete. Su electrónica es la misma empleada en robots más avanzados tanto comerciales como de investigación. Por ello, a partir de este robot es muy fácil desarrollar con el Skybot.

Robot en modo autónomo
La aplicación típica es la de hacer que el robot siga una línea negra sobre un fondo blanco. Los sensores que lleva en la parte frontel le permiten distinguir los colores blanco y negro.

Robot Tele-controlado desde el PC
El robot se conecta al ordenador por un cable serie y podemos hacer programas que lo tele-controlen. El cable se puede sustituir por un enlace Bluetooth. Una aplicación muy divertida es mover el robot con el mando de la wii.

Características 


Mecánica
La estructura mecánica está compuesta por 7 piezas de metacrilato de 3mm, dos servos Futaba 3003 trucados y una rueda loca. Es una estructura fácilmente replicable y se pueden emplear materiales como madera, PVC expandido, aluminio, etc. Las piezas se unen mediante pegamento y los motores se sujetan mediante tornillos normales de métrica 4. Tanto la tornillería como la rueda loca se encuentran en cualquier ferretería.

Por serie 7400 se conoce a los circuitos integrados digitales, originalmente fabricados en tecnología TTL (lógica transistor-transistor o en inglés transistor-transistor logic), que forman una subfamilia de semiconductores, dentro del campo de la electrónica digital. Fueron ampliamante utilizados en la década de 1960 y 1970 para construir computadoras. Actualmente existen versiones de la serie fabricadas con tecnología CMOS.
Características generales

Las características destacables de estos componentes son las siguientes:
  • Tensión de alimentación: 5 V, con una tolerancia (de 4,5 V a 5,5 V).
  • Niveles lógicos: entre 0,2 V y 0,8 V para el nivel bajo (L) y entre 2,4 V y 5 V para el nivel alto (H), ya que estos chips son activados por altos y bajos, o también llamados 0 y 1, dígitos del sistema binario utilizados para estos usos en la electrónica.
  • Código identificador: el 74 para los comerciales y el 54 para los de diseño militar. Estos últimos son chips más desarrollados, ya que los de serie 74 soportan menos rangos de temperaturas.
  • Temperatura de trabajo: de 0 °C a 70 °C para la serie 74 y de -55º hasta los 125 °C para la 54.
Subfamilias
Las demás características dependen de la subfamilia que se utilice, podemos encontrarnos con chips de modelo estándar, de bajo consumo (L), de alta velocidad (H), Schottky (S), Schottky de bajo consumo (LS), Schottky avanzado (AS), TTL Schottky avanzado de bajo consumo (ALS), ó el TTL rápido (TTL ALS Fairchild) (F) entre otros.

Centrándonos en el modelo estándar podemos sobre éste modelo que su retraso es de 10 ns siendo el de menor retraso el modelo Schottky (3ns) y el de mayor el modelo de bajo consumo (33 ns). El consumo por puerta es de 10 mW siendo el menor el de bajo consumo de 1mW y el de mayor consumo el de alta velocidad de 22 mW, la velocidad en el estándar es de 35 MHz siendo la menor en el de bajo consumo de 3 MHz y mayor en el Schottky de 125 MHz, el margen de ruido para el modelo estándar que veremos a continuación, es de 0,4V siendo más distante y variable en el modelo LS, de 0,7 V para el nivel lógico 1 y de 0,3 V para el nivel lógico 0: Por último el abanico de salida es de 10 para el estándar y el de alta velocidad y de 20 para el resto.

La utilización de éstos chips es muy amplia ya que alojan en su interior multitud de componentes electrónicos para distintas aplicaciones. Podemos encontrar circuitos de la serie 74 con puertas lógicasBuffersbiestables, circuitos aritméticos, como semisumador, sumador completo, sumador paralelo, sistemas combinacionales o secuenciales entre otros.

-
L
H
S
LS
AS
ALS
F
Retardo
10 ns
33 ns
3 ns
Consumo
10 mW
1 mW
22 mW
Velocidad
35 MHz
3 MHz
125 MHz
Margen de ruido
400 mV
700 mV
Rango dinámico
10
20
10
20
20
20
20
20

Esquema de numeración de piezas
La numeración de los dispositivos lógicos de la serie 7400 utilizan a menudo la siguiente norma, aunque los específicos varían entre los fabricantes.
  • Un prefijo de dos o tres letras que indica el fabricante del dispositivo.
  • Dos caracteres como segunda parte del prefijo, en los que los más comunes son “74” (indicando un dispositivo con un rango de temperaturas comercial) y “54” (indicando un rango de temperaturas extendido, adecuado para uso militar).
  • Hasta cuatro letras que describen la subfamilia lógica, según lo enumerado arriba.
  • Dos o más dígitos asignados para cada dispositivo. Hay centenares de diversos dispositivos en cada familia pero cuando este número es igual, la función y el Pinout del chip es casi siempre igual sin importar el fabricante. Las excepciones incluyen algún dispositivo de encapsulado plano, dispositivos soldados en superficie, algunos de los rápidos chips CMOS de la serie (por ejemplo el 74AC), y por lo menos un dispositivo TTL de bajo consumo tiene un pinout diferente del resto de la serie regular.[1]
  • Sufijos adicionales de letras y números pueden utilizarse para indicar el tipo de encapsulado, el grado de calidad u otra información, pero ésta varía ampliamente con cada fabricante.
Por ejemplo SN74ALS245 significa que es un dispositivo fabricado por Texas Instruments (SN), es un dispositivo TTL con rango de temperatura comercial, es un miembro de la familia Schottky de bajo consumo avanzado, y es un buffer bidireccional de 8 bits.


Una foto del CNY70 soldado en una plaquita de bakelita ,usando un potenciómetro de ajuste pequeño y los transistores 2N2222 bien cortos allí podría estar todo el circuito 

Sin embargo para probar solo los sensores para otros circuitos lo más recomendable
 Es importante conocer bien el CNY70 antes de soldarlo o conectarlo al protoboard , sus pines están tan juntos que no se pueden insertar en el protoboard porque los caminos de este están unidos y haríamos corto para testearlo , es mejor soldarlo en una plaquita externa cuidando que los puntos de soldadura no unan los pines

Finalmente añadimos la parte de control de potencia , en este caso un transistor de uso general y de mediana potencia : el conocido 2N2222 , en este caso le pusimos una resistencia de 270 ohmios como resistencia de base fija ( sin potenciómetro ) y lo conectamos a un pequeño motor extraído de una lectora de cd (funcionan a 5 voltios) .En este video se muestra el resultado , ahora sobre superficie blanca gira el motor y sobre superficie negra se detiene , invirtiendo los pines + y - del opam se puede conseguir el procedimiento inverso



Sensor MSE-S110 

El sensor MSE-S110 es un sensor comercial, está dotado de dos cny70 con la señal acondicionada. Para las más manitas, se pueden construir uno, pero por el bajo coste no vale la pena.


Circuito lógico

Esquema del circuito a nivel de compuertas.





La familia lógica utilizada para la implementación del circuito es la TTL (Lógica Transistor-Transistor).Cuatro compuertas OR (IC 74LS32), cuatro compuertas AND (IC74LS08) y cuatro compuertas NOT (IC74LS04).Los dos recuadros en rojo, son las entradas que excitan al circuito, estas señales provienen de los sensores CNY70,  marcadas como input Si(Sensor izquierdo) y inputSd(sensor derecho).

La salida 3 de la compuerta OR se conecta al motor izquierdo y la salida 6 al motor derecho. Lógicamente antes de excitar los motores, estas señales son amplificadas por la etapa de potencia que veremos a continuación.
Etapa de potencia

Las señales procedentes del circuito lógico, no son lo suficientemente fuertes para excitar los motores, previamente tendrán que se amplificadas. Esto se consigue con un transistor en emisor común, funcionando en conmutación (corte, saturación).Con esto conseguimos una ganancia en corriente en el colector respecto a la base. Es en el colector donde conectamos los motores.


En la imagen se puede apreciar el montaje de los dos circuitos, son idénticos, uno para el motor izquierdo y el otro para el derecho.


Alimentación

El sensor y la lógica trabajan a 5v, pero se alimenta a través de una pila de 9v, hay que intercalar un circuito regulador de voltaje a 5v, esto se consigue con el ic 7805.

Las etapas de potencia trabajan a 6v, cuatro pilas del tipo AA.

IMPORTANTE
El negativo de los motores y de la lógica tiene que ser común.

Lista de componentes

1 74ls32
1 74ls08
1 74ls04
1 7805 (regulador de voltaje)
2 condensadores
2 BD135 NPN
2 Resistencias 2200 ohmios 1/2w (resistencias de polarización de los transistores)
2 Diodos 1n4001 o 1n4007
1 Mse-s110 (sensor cny70)
2 Servos futaba (trucados)
1 Placa de topos 7cm x 7 cm
1 Porta pilas AAX4
Planteamiento del problema
Hoy en día se considera la fabricación de un robot de un robot lineal como un método avanzado de tecnología y ciencia y consideran algo difícil de hacer en el cual hay muchos métodos de mecanismos al desarrollar nuestro proyecto al pensar que nosotros podemos hacer nuestro propio robot seguidor de línea al que hemos proyectado durante todo este periodo al desarrollarse sus planos y demás conclusiones.