Concurso Escolar Creatividad Creatividad Electrónica URP 2011
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA MECATRÓNICO CON LAS CARACTERÍSTICAS MÍNIMAS DE UN ROBOT C.E.P Cristo Cristo Salvador Salvador de Surco Renzo E. Contreras, Sergio M. Torres, Jennifer L. Durand, y Cristian Cisneros, Asesor
Este documento contempla las pautas del diseño de Resumen — Este un móvil electromecánico basado en el mecanismo andante de Theo Jansen, móvil que además es autónomo, automático, programable y con la suficiente inteligencia computacional para esquivar obstáculos que se encuentren a menos de 10cm de él. Este robot se compone de partes de acrílico cortadas con una cortadora laser Epilog, es controlado con una tarjeta Arduino fabricada con componentes de Paruro y posee un sensor ultrasónico de distancia. robot, Theo Jansen, Arduino, Paruro, Palabras clave — robot, mecatrónica, mecánica, acrílico, Epilog, lasser cutter, programación, SolidWorks, FabLab, Educatronics, Roboticist.
I. OBJETIVOS Desarrollar un sistema electromecánico que cumpla con las características modernamente aceptadas para poder llamarlo “robot”. Cumplir con uno de los requisitos de aprobación del curso “Ciencia Tecnología y Ambiente: Física”
correspondiente al 5to año de educación secundaria del Colegio Cristo Salvador de Surco. Ingresar al maravilloso mundo de la ingeniería mecatrónica. Incentivar a otros estudiantes a que ingresen al mundo de la mecatrónica.
II. INTRODUCCION STE proyecto consiste en el diseño y construcción de un sistema electromecánico con características de inteligencia computacional, computacional, que en su conjunto cumpla con las características modernamente aceptadas para poder llamarlo robot.
E
robot debe poseer estas características, que son 4. Entonces, todo robot: 1) Es una máquina ; ya que cumple una función y realiza trabajo, además es manufacturado por el hombre o por otras máquinas creadas por él. 2) Es autónomo y automático; porque un robot se concibe actualmente como un ente independiente, que no requiere de suministros externos ni operador, está dotado de sistemas embebidos y de inteligencia computacional, con lo que puede realizar sus tareas por sí mismo. mismo. 3) Es programable; Partiendo de la idea simple de que programar es “dar órdenes”, decimos que un robot es
capaz de obedecer estas órdenes y actuar en consecuencia con ellas. Estas órdenes deben ser dadas en un lenguaje que tanto el programador como el robot entiendan. Un lenguaje artificial con esta característica se conoce como un lenguaje de programación. 4) Posee un grado de inteligencia computacional superior al de estímulo - respuesta ; Probablemente esta es la principal característica, que ha definido a los robots desde la época en que Karel Kapek empleó la palabra “robot” para referirse a seres que no son simples máquinas
automáticas automáticas diseñadas para realizar una o muchas tareas, si no que tienen “inteligencia”. “inteligencia”.
III. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO A. Diseño del robot
El tipo de robot elegido fue el móvil, inicialmente se pensó dotarlo de ruedas para el movimiento; pero el diseño final incluye un mecanismo andante de 8 patas, este mecanismo es el de Theo Jansen.
A. Características de los robots
Actualmente Actualmente existe una gran cantidad de definiciones para los robots, muchas de las cuales son contradictorias entre sí, debido a que al ser el robot una creación del hombre este lo define arbitrariamente. Sin embargo existen algunas características comunes que compartes todos los robots modernos, en ese sentido todo artefacto que ostente el título de C. Cisneros R. Contreras S. Torres J. Durand
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
Figura 1 El artista y escultor cinético Theo Jansen y el mecanismo andante que lleva su nombre
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Los motores seleccionados fueron los servomotores TowerPro SG-5010, los cuales fueron modificados para permitir su giro continuo y control de velocidad. velocidad. El uso de estos servomotores tiene la ventaja de contar con una caja reductora de engranajes, un controlador digital de posición (que se puede usar como controlador de velocidad) y un circuito de d e potencia.
Figura 4 Sistema Arduino diseñado para el proyecto Finalmente, se incluyo un sensor ultrasónico de distancia para dotar de percepción al robot, elegimos el módulo PING de Parallax que tuvo que ser importado. En el mercado local se pueden encontrar transductores ultrasónicos, pero el diseño y construcción del circuito de acondicionamiento acondicionamiento requerido para dicho elemente escapa a los objetivos y alcances del presente proyecto.
Figura 2 Servomotores digitales SG-5010 La modificación de estos servomotores consiste en retirar el potenciómetro interno y el tope mecánico que bloquea al eje del motor. Luego se reemplaza al potenciómetro por dos resistores iguales. Para la tarjeta controladora se diseño una versión simplificada del sistema Arduino, tomando en cuenta los componentes que se pudieran encontrar en Paruro, así como la manufactura manufactura de la tarjeta en una sola capa.
Figura 5 Sensor ultrasónico para medir distancias El diseño se realizó usando el software CAD SolidWorks 2011. En este software se modelaron todas y cada una de las partes que componen al robot, incluyendo la tarjeta controladora Arduino con todos sus componentes, los servomotores, los tornillo, arandelas, tuercas y partes de acrílico.
Figura 3 Sistema Arduino UNO, modelo comercial comercial El diseño de esta nueva tarjera está basado en la versión Severino del sistema Arduino, y el rediseño se realizó usando el software Eagle 10.0 en su versión libre. Los principales objetivos del diseño fueron verificar que los componentes necesarios se pudieran encontrar en Paruro y que en lo posible la tarjeta requiriera solo una capa de cobre.
Figura 6 Diseño en SolidWorks 2011
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Figura 7 Renderizado del diseño del robot realizado en SolidWorks S olidWorks El uso del software permitió realizar múltiples cambios al diseño inicial en función a los análisis de funcionalidad que el mismo software permite hacer, es decir se pude verificar si el mecanismo funciona correctamente, si hay interferencia entre las partes, si los tornillos fijan correctamente correctamente a las piezas, etc. Una vez que se diseñaron las partes en SolidWorks se empleó una cortadora laser para fabricar las piezas.
La programación del robot se realizó en el software libre Arduino. El algoritmo consiste en avanzar mientras no se detecten obstáculos y en cuanto se detecte un obstáculo (es decir la distancia medida por el sensor sea menor a cierto valor) el robot retrocede y cambia de dirección, luego el proceso se repite indefinidamente. El código completo se encuentra en el apéndice A; pero el algoritmo se muestra en el siguiente diagrama de flujo:
Figura 9 Algoritmo Algoritmo en diagrama diagrama de flujo Figura 8 Plantilla de partes para cortar con la cortadora laser
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Figura 12 Uso experimental en biomedicina
Figura 10 Interface gráfica de usuario del software Arduino B. Posibles aplicaciones del Robot
Entre las aplicaciones que se le pueden dar a este tipo de robots destacan: el movimiento eficiente, ya que este mecanismo requiere menos energía que las ruedas para desplazar objetos, la exploración remota en zonas no planas, la investigación en prótesis bi ológicas ológicas usando ratas minusválidas como usuarios experimentales e incluso en el transporte, en este sentido el uso de móviles basados en el mecanismo de Theo Jansen pueden ser un opción viable para su uso con sistemas de energía eléctrica.
Figura 13 Mecanismo de Theo jansen usado en transporte individual
Figura 11 Mecanismo altamente altamente eficiente
Figura 14 Con el mecanismo de Theo Jansen se puede pu ede lograr el desplazamiento en diversos terrenos usando solo la fuerza del viento
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IV. CONCLUSIONES Las características mínimas necesarias para poder considerar que algo es un robot son: - Es una máquina - Es autónomo y automático - Es programable - Es inteligente El construir un robot moderno moderno es relativamente fácil. El desarrollo de productos tecnológicos como el FabBot da cabida a múltiples aplicación en la vida real, más allá del uso inicial planificado, que este caso fue la exploración. El mecanismo de Theo Jansen es altamente eficiente, ya que requiere de muy poca energía para lograr el desplazamiento de cargas relativamente grandes, por lo que sería una buena opción como sistema de transporte ecológico. APÉNDICE
5 gira(100); // delay( 4000); // 4s }else else{ {
// avanzar Serial.print("avanzando" ); Serial.println(); avanza(100); }
// Pulso digitalWrite (13, HIGH); delay (100); digitalWrite (13, LOW); delay (100);
// El mismo pin se usa para leer la // respuesta del sensor // esta respuesta es un pulso cuya duracion // en microsegundos // se corresponde con la distancia del objeto // encontrado pinMode(pingPin, INPUT); // el pin como entrada // funcion para leer la duración del pulso duration = pulseIn(pingPin, HIGH );
/* Código fuente del robot */ #include
// variable para almacenar la distancia long distancia; void setup (){ // Vincular los servomotores a los pines 10 y 11 servo_derecha.attach(10); servo_izquierda .attach( 11); // Pin 13 como salida para hacer parpadear al LED pinMode( 13, OUTPUT); // Configuración de la comunicación serial Serial.begin(9600 ); }
void loop(){ // Leer la distancia medida por el sensor distancia = obtener_distancia (); if( if (distancia <= min_distancia ){ Serial .print ("Obstaculo detectado a "); Serial .print (distancia); Serial .print ("cm"); Serial .println();
// retroceder y girar Serial .print ("retrocediendo" ); Serial .println(); avanza (-100); delay( 4000); // 4s Serial .print ("girando"); Serial .println();
LED on a second LED off a second
long obtener_distancia (){ int duration; // Para activar el sensor PING se requiere de un // pulso alto de por lo menos 2ms pinMode(pingPin, OUTPUT); // poner el pin en bajo digitalWrite(pingPin, LOW); delayMicroseconds (2); // 2us digitalWrite (pingPin , HIGH );// inicio del pulso // mantener el pulso por 5ms delayMicroseconds (5); digitalWrite (pingPin , LOW); // fin del pulso
Este apéndice contiene el código completo usado para el control del FabBot.
// Definicion del nombre pingPin const int pingPin = 8;
the for the for
}
A. Código Fuente
Servo servo_derecha; // crea dos objetos Servo Servo servo_izquierda; // Constante, Distancia minina const int min_distancia = 10;
// set // wait // set // wait
// retornar valor en centímetros return duration / 29 / 2; }
void avanza(int potencia){ potencia = map(potencia ,-100, 100,0, 179); servo_derecha.write( 179 - potencia); servo_izquierda .write(potencia); }
void gira( int potencia ){ potencia = map(potencia ,-100, 100,0, 179); servo_derecha.write( potencia); servo_izquierda .write(potencia); }
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Tabla 5 Resumen de costos
B. Costos
Tabla 1 Sistema Arduino Item Desc escripci pción 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Canti ntidad dad
cap. ceramico cap. poliestireno cap. electrolitico diodo power jack uC ATmega8 regulador ICSP tira de pines inductor LED 3mm Cristal Resistores pulsador transistor jumpers Tarjta impresa
3 4 2 3 1 1 1 1 1 1 4 1 11 1 2 2 1
P/unit Total [S/.] [S/.] 0.30 0.90 0.50 2.00 0.40 0.80 1.00 3. 3.00 0.50 0.50 15.00 15.00 1.00 1.00 0.50 0.50 4.00 4.00 0.50 0.50 0.30 1.20 1.50 1.50 0.30 3.30 0.30 0.30 0.50 1.00 0.20 0.40 5.00 5.00
Total
S/. 40.90
Tabla 2 Sensores y Actuadores
1
Sens. ultrasónico
P/unit. Total [S/.] [S/.] 1 124.20 124.20
2
Servomotor
2
Item Descripci pción
Canti ntidad dad
57 57.00
S/. 238.20
Tabla 3 Estructura mecánica
1 2 3
P/unit. [S/.]
Total [S/.]
1
33.50
33.50
4 1
4.00 6.00
16.00 6.00
Total
S/. 55.50
Tabla 4 Fabricación Fab ricación Item Descr escriipci pción
Tiem Tiempo po
1
Cortadora laser
15 min
2
Ensamblaje
6h
Total
1
Arduino
2
Sensores y actuadores
3
Es Estructura mecánica
55.50
4
Fabricación
67.50
Precio/hora Total [S/.] [$] 100.00 67.50 0.00
0.00 S/. 67.50
costo [S/.] 35.90 238.20
Total
S/.
397.10
AGRADECIMIENTOS En primer lugar queremos agradecer a la Universidad Ricardo Palma por promover este concurso que nos ha permitido adquirir conocimientos y capacidades que estaban fuera de nuestras expectativas, luego a nuestro colegio Cristo Salvador de Surco por brindarnos la formación académica necesaria para afrontar este tipo de retos, a nuestros asesores los Bachilleres de la Universidad Nacional de Ingeniería : Cristian Cisneros Morales (Ing. Mecatrónica) y Toshiro Tabuchi Yagui (Ing. Mecánica) quienes fueron nuestros amigos y maestros en esta grandiosa experiencia y finalmente queremos agradecer a las instituciones que patrocinaron el desarrollo de nuestro robot: El Laboratorio de Fabricación Digital FabLab-Lima (http://fablablima.com/site/ http://fablablima.com/site/ )), la institución educatica Educatronics y su academia de robótica (http://www.educatronics.com/ ) y a la empresa tecnológica RoboticistRoboticist-SAC especializada en robótica (https://www.facebook.com/roboticistsite https://www.facebook.com/roboticistsite)). REFERENCIAS [1] C. Cisneros, “ What i s a Robot? ,” on-line, https://docs.google.com/document/pub?id=1DDqe5BZnx0lw90 2qq2hZ7lfRJUYUOsXqmriqVAM_Fr0 [2]
Cant Cantid ida ad
Juego de tornillos y tuercas Barra roscada Acrílico .3x.2
Descripción
114.00
Total
Item Item Desc Descri ripc pció ión n
Item
Theo Jansen . libre. Fecha
(2011, 30 de julio). Wikipedia, La enciclopedia de consulta: 18:42, octubre 31, 2011 desde //es.wikipedia.org/w/index.php?title=Theo_Jansen&oldid=4839 7166..
[3] Servomotor. (2011, 3 de octubre). Wikipedia, La enciclopedia libre. Fecha de consulta: 18:43, octubre 31, 2011 desde //es.wikipedia.org/w/index.php?titl //es.wikipedia.org/w/index.php?title=Servomotor&oldid=50243 e=Servomotor&oldid=50243 138. [4] U Control (2011, 20 de octubre) “Como trucar un servomotor” http://www.ucontrol.com.ar/wiki/i http://www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php?title= ndex.php?title=Como_ Como_trucar_ trucar_ un_servo [5] SolidWorks Inc. “Manual www.solidworks.com
de
“Tutoriales” – [6] Arduino, http://arduino.cc/es/Tutorial/HomePage
solidWorks
on
2008” line,
[7] Parallax, “PING))) Documentation 1.6v” on line, http://www.parallax.com/Portal http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/acc/28 s/0/Downloads/docs/prod/acc/28 015-PING-v1.6.pdf [8] Arduino, “Severino Single-Sided Serial Board v3”- on line, http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardSeri http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardSerialSingleSided alSingleSided 3
