SUMOBOT
González Isassi M. A., Vargas Ferrer J., Paredes Rios J., Torres Ochoa J. B., Reyes Badillo J. I.
Área Académica de Mecatrónica Área Automatización
Universidad Tecnológica de Xicotepec de Juárez
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Agosto, 2015.
1. Introducción
Hoy en día en nuestra sociedad los robots no solo existen para ayudarnos a hacer diferentes cosas, también los usamos para efectuar diferentes actividades de recreación.
Un robot es una máquina controlada por ordenador y programada para moverse, manipular objetos y realizar trabajos a la vez que interacciona con su entorno. Su objetivo principal es el de sustituir al ser humano en tareas repetitivas, difíciles, desagradables e incluso peligrosas de una forma más segura, rápida y precisa.
Los robots exhiben tres elementos claves:
Programabilidad, lo que significa disponer de capacidades computacionales y de manipulación de símbolos (el robot es un computador).
Capacidad mecánica, que lo capacita para realizar acciones en su entorno y no ser un mero procesador de datos (el robot es una máquina).
Flexibilidad, puesto que el robot puede operar según un amplio rango de programas y manipular material de formas distintas. [1]
La modalidad de Sumo Robótico fue inventada en Japón a finales de los años ochenta por Hiroshi Nozawa, presidente de Fuji Software. Su objetivo era que los estudiantes se interesasen en la robótica. El primer torneo de exhibición se realizó en 1989 y participaron 33 robots. El primer campeonato oficial fue en 1990 y lucharon 147 robots en él. Desde entonces el crecimiento del sumo robótico en Japón ha sido imparable. Más de 4000 robots participaron en la Liga de 2001. A comienzos de los años noventa el sumo robótico fue introducido en Estados Unidos por Mato Hattori. Hattori grabó una cinta con los mejores momentos de la tercera Liga de sumo. Esta cinta llegó a manos de Bill Harrison que se involucró para difundirlo en su país. Harrison posteriormente fue el que inventó la clase de Minisumo. Esta clase es la que se ha hecho más popular ya que existen al menos el doble de robots de minisumo que de sumo estándar ya que su reducido tamaño facilita la construcción y ahorra costes. Desde principios de los años noventa los torneos de sumo se han expandido por todo el mundo y el número de robots ha crecido exponencialmente. [2]
En el año 2003 se inició la categoría de 10 kilos (peso del robot) pero a partir de la competencia número 19 (2007-2008) quedará eliminada por escasez de participantes. Ahora sólo queda la original que corresponde a los guerreros de 3 kilogramos.
El escenario de lucha de los robot sumo es similar al tradicional, salvo por las dimensiones, los pequeños androides deben pelear dentro de un círculo de 154 centímetros de diámetro. La banda blanca, de 5 centímetros de ancho, que marca el perímetro y otras en el interior, son para que el tipo autónomo pueda ubicarse por medio de sus sensores. [3]
1.1 Resumen
Año con año, los torneos de robótica han ido cobrando mayor interés entre los aficionados a los robots a nivel mundial. Una de las competencias más emocionantes en estos torneos es el robot- sumo, en donde un robot móvil (Sumobot) imitando a los luchadores de Sumo, intenta sacar a otro igual de una superficie circular (dojo) sin salirse él mismo de ésta.El presente documento muestra de manera detallada qué es un Sumobot, las partes que lo componen y en que consiste su funcionamiento y programación.
Palabras clave: Robótica, Ingeniería, Programación, Sumobot, Automatización.
1.2 Abstract
Year on year, the tilts of robotics have been receiving more interest between the fans of the robots worldwide. One of the most exciting competition in these tilts is the robot-sumo, where a mobile robot (Sumobot) imitating the fighters of sumo tries lo extract equal other one of a circular surface (dojo) without leaving.
The present document shows in a detailed way that it is the "Sumobot", the parts that compose it and of which his functioning and programming consist.
Key Words: Robotic, Engineering, programming, Sumobot, automation.
2. Diagnóstico de necesidades
2.1 Condiciones del proyecto
Las condiciones detectadas para la construcción del proyecto son las siguientes:
Superficie plana con nivel a 5 cm del suelo
Superficie de color negro con orilla blanca
2.2 Suministros
En lo que respecta a los suministros del proyecto consideramos los siguientes:
Sensores optoreflectivos
Sensores ultrasónicos
Baterías tipo LIPO
Motores con engranaje metálico
Leds
Arduino Mega
2.3 Entradas/Salidas
Para el desarrollo del sumobot se tomaron en cuenta las siguientes entradas y salidas:
Entradas:
Sensores ultrasónicos
Sensores optoreflectivos
Salidas:
Relevadores
Motores con engranaje metálico
Indicador de LED
2.4 Operaciones
En base al análisis realizado por el equipo se determinaron las siguientes acciones u operaciones del sumobot:
Encender
Esperar 5 segundos
Detección del oponente
Avanzar hacia el objetivo
Sacar al objetivo de la plataforma
Identificación del límite de la plataforma
Retroceso
Apagar
2.5 Especificaciones y validación
Las especificaciones del proyecto van de la mano con la validación del mismo por lo que se englobaron en el mismo punto, dichas especificaciones y validaciones del proyecto son las siguientes:
Chasis metálico
Dimensiones aproximadas de 20 x 20 cm
Peso máximo 3 kg
Control en Arduino Mega
Búsqueda de contrincantes después de los 5 segundos de encendido
3. Descripción y características del proceso y sistemas que lo integran
En lo que respecta a la descripción y características de nuestro robot algunas de ellas se mencionan en puntos anteriores y otras en puntos posteriores, debido a ello los diseños tanto mecánicos y electrónicos se muestran a continuación.
Figura 1. Diseño del robot
Figura 2. Diagrama electrónico
4. Materiales, suministros y consumos de energía
Con todo lo explicado en puntos anteriores, hasta el momento hemos considerado la siguiente lista de materiales:
Tabla 1. Lista de materiales y suministros
DESCRIPCION
UNIDADES
Componentes Electronicos
Motorreductor 37D 50:1
2
Ruedas para motorreductor
2
Rueda loca
1
Bateria tipo LIPO 11.1V 2.2ª
1
Bateria tipo LIPO 11.1V 1ª
1
Sensores optoreflectivos
4
Sensores ultrasonicos
3
Puente H
1
Relevadores
4
Arduino Mega 2560
1
Juego de jumpers
1
Cargador baterias LIPO
1
LED
1
Interruptores
2
Mini protoboard
1
Plug Inn
1
Envios
1
Material Chasis
Placa de acero inoxidable 90 cm x 1 m
1
Placa de aluminio 90 cm x 1.20 m
1
Remaches
30
Pegamento
2
Cintra
1
A continuación de muestra una tabla con los consumos de corriente aproximados de los componentes a utilizar
Tabla 2. Consumo electrónico
Cantidad
Consumo (mA)
Subtotal (mA)
Sensores optoreflectivos
4
20
80
Sensores ultrasonicos
3
15
45
Arduino
1
100
100
Puente H
2
40
80
Relevadores
4
20
80
Motoreductor
2
300
600
LED
1
15
15
Total
1000mA
5. Indicadores de producción
Para la construcción de nuestro robot consideramos 3 bloques o etapas importantes:
Sistema sensorial
Etapa de potencia
Sistema de control
5.1 Sistema sensorial
El sistema sensorial es fundamental para el correcto funcionamiento del robot, ya que dicho sistema deberá proporcionar información suficiente y de la forma más limpia posible al sistema de control para la toma de decisiones. De este modo, un flujo de datos insuficiente o confuso desde los sensores se traducirá en reacciones poco precisas o erróneas de los sistemas de actuación. Por otro lado, un flujo excesivo de datos, por correctos que estos sean, complicará la toma de decisiones en el funcionamiento del robot.
Con lo mencionado anteriormente nuestro robot luchador de sumo tendrá el objetivo de expulsar al rival del área de combate y evitar ser expulsado por el mismo, lo que se traduce en la necesidad de localizar al oponente y reconocer los límites del dojo.
Teniendo en cuenta lo anterior se obtienen las siguientes conclusiones en cuanto a los sensores básicos necesarios:
La presencia de una línea blanca delimitando el área negra donde ha de sucederse el combate nos señala la necesidad de usar sensores con capacidad para distinguir el color del suelo, y de este modo mantenernos en el interior del área de combate.
La existencia de un perímetro libre de obstáculos alrededor del área de combate nos garantiza que si la capacidad de "visión" del robot está ubicada a unos límites adecuados, el oponente será el único objeto a diferenciar, lo que descarta la necesidad de usar sistemas complejos de visión artificial para localizarlo, en favor del uso de un sencillo sistema de detección de obstáculos.
Es evidente la necesidad de usar dos grupos imprescindibles de sensores que nos aportarán la información mínima necesaria para poder operar.
Sensores de línea, destinados a reconocer el perímetro del área de combate para evitar que el robot se salga del mismo.
Sensores de posición, cuya misión será localizar al robot oponente para intentar expulsarlo del área de combate.
5.2 Etapa de potencia
La etapa de potencia es el elemento que hace de intermediario entre las partes mecánicas y electrónicas, en este caso, más concretamente entre la tarjeta de control y los motores, adaptando la señal enviada por la primera y consiguiendo que en unos segundos se encienda o apaguen y giren en uno u otro sentido.
La necesidad de usar esta etapa intermedia radica en la escasa capacidad para suministrar corriente de la tarjeta de control, que por si sola no sería capaz de mover los motores, en nuestro caso nos apoyaremos del puente H ya que es un circuito basado en el uso de cuatro interruptores que debe su nombre a su forma, y que habilitan el paso de la corriente en los dos sentidos a través del elemento al que se conectan en función del estado de los mismos. El uso de estos circuitos nos permitirá invertir la corriente en los motores, permitiéndonos cambiar su sentido de giro sin necesidad de recurrir a voltajes negativos.
5.3 Sistema de control
Desde un principio se tomó la decisión de basar el sistema de control en un microcontrolador de la familia ATMEL por su versatilidad y sencillez. Y es por ello que elegimos la tarjeta comercial Arduino Mega.
El Arduino Mega 2560 es una de las tarjetas más populares de la familia Arduino y está basado en el microcontrolador ATmega328. Cuenta con 53 entradas/salidas digitales, 16 entradas análogas, resonador cerámico de 16MHz, conexión USB, entrada para eliminador de baterías, Header ICSP y botón reset. Es muy versátil, fácil de programar y utilizar. Es compatible con una gran cantidad de Shields y sensores.
6. Costos
El presupuesto de nuestro prototipo se puede ver al final del documento, en donde se incluyeron costos directos (electrónico y chasis) y algunos costos indirectos.
7. Conclusiones iniciales
Sin duda la realización de este proyecto nos constituyó una labor de gran esfuerzo y trabajo por parte de cada uno de los integrantes involucrados. La puesta en práctica de los conocimientos obtenidos a lo largo de la corta carrera que llevamos y la necesidad de adquirir algunos nuevos, junto con la ejecución del mismo y el trabajo en equipo implicado, hacen que este proyecto sea excepcional a nivel de formación y experiencia.
Por otro lado, consideramos que el proyecto representará una importante entrada en el mundo de los sistemas de detección y actuación y la interrelación de los mismos; sistemas que se extienden desde la robótica hasta la automatización pasando por la domótica, haciendo funcionar los elementos cotidianos más insospechados.
Los resultados que pretendemos con el prototipo en lo referente a la parte mecánica son que sean satisfactorios, que se logre una potencia y un agarre elevados, además de un peso controlado y un tamaño reducido. En cuanto a la electrónica, se espera el buen funcionamiento de los sistemas sensoriales y etapas de potencia para que el robot trabaje de forma eficaz; esperando como resultado un sistema fácilmente programable y perfectamente integrado en el conjunto mecánico.
Los resultados que pretendemos con el prototipo en lo referente a la parte mecánica son que sean satisfactorios, que se logre una potencia y un agarre elevados, además de un peso controlado y un tamaño reducido. En cuanto a la electrónica, se espera el buen funcionamiento de los sistemas sensoriales y etapas de potencia para que el robot trabaje de forma eficaz; esperando como resultado un sistema fácilmente programable y perfectamente integrado en el conjunto mecánico.
8. Características de los sistemas y normativa del proyecto
Modalidad de Sumobot Estándar
Figura 3. Sumobot en combate
Sección 1.- Introducción
Descripción de la prueba
a. Dos robots, imitando a los luchadores de Sumo, intentarán arrojar a su oponente fuera del Área de Combate cumpliendo ciertas reglas detalladas en esta normativa.
Sección 2.- Medidas del robot
-Cada equipo sólo podrá utilizar un robot.
-El robot no deberá superar los 20cm x 20cm en su proyección sobre el plano horizontal.
-Los sensores de contacto o micro interruptores podrán estar plegados a la hora de efectuar la
medida.
-La altura del robot no está limitada.
Sección 3.- Peso del robot
-El peso máximo de será de 3.000 gramos (3Kg)
incluyendo todas las partes.
Sección 4.-Despliegue del robot
-Un robot se debe entender como un conjunto de objetos mecánicamente enlazados entre sí. Por consiguiente, un robot no puede dispersar ningún componente, o perder contacto con ningún componente en ningún momento durante el desarrollo de la prueba.
Sección 5.- Autonomía del robot
-El robot deberá ser completamente autónomo en lo referente a alimentación, componentes y control.
Sección 6.- Activación del robot
-El sistema de activación será de accionamiento manual.
-Los robots deberán diseñarse de forma que comiencen a moverse después de 5 segundos de su activación.
Diagrama del Área de Juego:
Área
9. Diagramas y proyección de los sistemas del proyecto.
Para el diseño se utilizó la plataforma de SolidWorks para cuidar las medidas establecidas de 20cm x 20cm se diseñó las piezas por separado y se procedió a ensamblar a continuación se presenta un diagrama de flujo general de la operación del sistema:
Figura 5. Diagrama de flujo
Prototipo establecido en SolidWorks:
Figura 6. Diseño solidworks
10. Procedimientos de ensamblaje del proyecto y sus componentes
Lo primero que se trabajo fue por el armado del chasis ya que se tenía que respetar las medidas y pesos establecidos para la construcción de nuestro Sumobot se utilizó en su mayoría lámina y acero inoxidable de materiales reciclado.
Figura 4. Área de juego
10.1 Armado del chasis
Figura 7. Material sumobot
Se procedió a trazar las medidas sobre la lámina y realizar cortes:
Figura 8 Corte del material
Al tener las piezas cortadas se realizaron dobleces y perforaciones con el taladro para meter remaches para dejarlo sujetado:
Figura 9. Perforación Figura 10. Dobleces
Se finalizó el montando de la tapa desplegable del sumobot y se pintó.
Figura 11. Sumobot pintado
10.2 Instalación de componentes electrónicos
En el montado de los componentes se realizaron agujeros sobre el chasis para montar los sensores ultrasónicos, en la parte interna, se instalaron los motores y se puso una plataforma encima de las baterías donde se montó el arduino y en la parte frontal se montó la tarjeta del circuito para el puente h y sus relés.
Figura 12. Instalación electrónica
10.3 Procedimiento y parámetros de programación
Al tener el chasis del Sumobot armado y pintado se insertaron todos los circuitos y se realizaron las primeras conexiones y pruebas, se montaron los sensores ultrasónicos, el puente h, relés, sensores infrarrojos etc. Se conectó todo a la tarjeta arduino y se cargó la programación. En el proceso de esta programación se fue probando elemento por elemento para asegurar su funcionalidad.
Figura 13. Programación
11. Procedimiento de arranque, operación y paro.
La alimentación de nuestro Sumobot está dada por
dos baterías recargables tipo lipo una que alimentará únicamente los motores y otra que alimentara los demás dispositivos. Para su operación se procede a poner en posición al Sumobot y se activa el interruptor normalmente abierto para alimentar los motores, posteriormente en el momento en que den la indicación para la contienda se acciona el botón de inicio, a partir de ese instante el robot contará 5seg, al término del conteo el robot comenzará su funcionamiento, su primer acción es encontrar al rival así que el Sumobot se pondrá a girar sobre su propio eje hasta detectar al rival a una distancia programada de 50 cm. en el momento en que los sensores ultrasónicos lo detecten, girará y se ubicará con la parte frontal hacia el oponente y atacará empujándolo fuera del área de combate.
Para detener el sumobot se procede a tomar por un costado sin que se detecten los sensores y se desactiva el interruptor cortacorriente de los motores para que éste no siga avanzando, posteriormente se procede a resetear el arduino para la siguiente contienda. En caso de ya no tener que enfrentar a otro rival, se procede a desconectar la alimentación a la tarjeta arduino.
12. Evaluación del desempeño
Para evaluar el desempeño del robot, primordialmente se realizaron pruebas con diferentes objetos en diferentes posiciones sobre un dojo provisional, esto con la finalidad de observar cómo reaccionan los sensores ultrasónicos después de determinar las distancias a las que reaccionan. Se midió la fuerza de empuje de los motores poniendo un peso aproximado al que tendrán los oponentes sobre los objetos de prueba. Así mismo, se observó que los sensores IR fueron funcionales en cuanto a la detección del límite del área de combate, respondiendo con efectividad ante el juego de luces del ambiente que pudiesen interferir en la lectura de los sensores
Para verificar la duración de las baterías se realizaron pruebas durante 2 días, dándonos como resultado que al tercer día las baterías fueron descargadas en su totalidad, esto se vio reflejado en la velocidad y torque de los motores, ya que como tal no respondían a lo esperado.
13. Referencias
[1] Alvaro García Cazorla. ROS: Robot Operating System. Universidad Politécnica de Cartagena. Consultado el 01/06/2015
[2] Guillermo Barbadillo Villanueva, Alfredo Pina Calafí. Proyecto Arduino: sumo robótico. Escuela técnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicación. Consultado el 01/06/2015
[3] Sobre Japón [En línea]. Consultado el 01/06/2015. Disponible en: http://sobrejapon.info/robot-sumo.html
SUMOBOT KRATOS
REALIZADO POR:
Jair Paredes Ríos
Juan Vargas Ferrer
Mario Alan González Isassi
Josué Ignacio Reyes Badillo
Johnnatan Bernardo Torres Ocho
PRESUPUESTO
Equipo Robot Categoria Carrera
Grupo
AJ4
Kratos Sumobot Mecatrónica
3° "D"
FECHA REALIZACIÓN
22 DE AGOSTO DE 2015
DESCRIPCION
UNIDADES
PRECIO
TOTAL
Componentes Electronicos
Motorreductor 37D 50:1
2
$440.00
$880.00
Ruedas para motorreductor
2
$160.00
$320.00
Rueda loca
1
$80.00
$80.00
Bateria tipo LIPO 11.1V 2.2ª
1
$1,000.00
$1,000.00
Bateria tipo LIPO 11.1V 1ª
1
$450.00
$450.00
Sensores optoreflectivos
4
$35.00
$140.00
Sensores ultrasonicos
3
$70.00
$210.00
Puente H
1
$250.00
$250.00
Relevadores
4
$50.00
$200.00
Arduino Mega 2560
1
$480.00
$480.00
Juego de jumpers
1
$70.00
$70.00
Cargador baterias LIPO
1
$350.00
$350.00
LED
1
$2.00
$2.00
Interruptores
2
$10.00
$20.00
Mini protoboard
1
$40.00
$40.00
Plug Inn
1
$15.00
$15.00
Envios
1
$120.00
$120.00
Material Chasis
Placa de acero inoxidable 90 cm x 1 m
1
$600.00
$600.00
Placa de aluminio 90 cm x 1.20 m
1
$400.00
$400.00
Remaches
3000
$2.00
$60.00
Pegamento
2
$20.00
$40.00
Cintra
1
$35.00
$35.00
Gastos Indirectos
Comidas
10
$100.00
$1000.00
Pasajes
4
$150.00
$600.00
Renta de taller
1
$300.00
$300.00
Internet
2
$70.00
$140.00
TOTAL BRUTO $7,802.00
TOTAL PRESUPUESTO $7,802.00
