Introducción
 |
| Robot Hexápodo. |
El presente articulo trata sobre un proyecto bastante ambicioso, consistente en la creación de una plataforma de hardware libre para realizar practicas de programación robótica. Concretamente, se va a desarrollar un robot hexápodo, con cada una de las patas compuesta por tres articulaciones, movidas por servos HITEC-311.
Debido a que los fines de este proyecto son completamente
educativos, a lo largo del articulo vamos a explicar claramente como
construir cada una de las partes que lo componen.
Se ha adoptado una estructura completamente modular, por lo que
partes del proyecto pueden ser adaptadas fácilmente a otros proyectos
similares.
La parte electrónica también se ha conformado mediante módulos, y
se incluyen los esquemas eléctricos y diseño de los circuitos impresos
implicados en el proyecto.
Respecto del software, vamos a proporcionar una serie de
programas básicos para que el robot sea capaz de caminar y de obtener
datos del entorno (medir distancias, por ejemplo), aunque la idea es que
cada uno utilice esta plataforma para crear sus propios programas.
Aspecto del hardware el robot.
Materiales y herramientas
Contrariamente a lo que puede parecer a primera vista, los materiales
utilizados en la construcción de este robot, así como las herramientas
implicadas en esta tarea no son ni caros ni difíciles de conseguir.
Servos
Se han utilizado básicamente los servos, que resultan
irreemplazables, dado que su uso simplifica enormemente la mecánica del
robot. Si en lugar de servos se utilizaran motores de corriente continua
convencionales o motores paso a paso, tendríamos que resolver el
problema de las reducciones, control de posición, etcétera, que ya están
resueltos dentro del servo.
Aspecto del servo HS-311 recién salido de la caja.
El modelo de servo elegido es el HITEC modelo 311, por que es el de mejor relación precio/prestaciones que se pudo conseguir. Este servo, cuando es alimentado con 4.8 V proporciona un torque de 3.30 kg., aunque puede ser alimentado con tensiones de hasta 6.0 v., en cuyo caso el torque conseguido es algo mayor.
Tanto el cojinete de salida como los engranajes son de nylon. La
ficha de conexión eléctrica que se encuentra en el extremo del único
cable que tiene el servo cumple a la vez la función de alimentación y de
control de su posición. Estos tres conductores están señalados con
colores, donde el amarillo es el encargado transportar la señal de
control, el rojo corresponde al positivo y el negro al negativo.
En la caja del servo podemos encontrar todos los accesorios de montaje necesarios.
En la caja provista por el fabricante podemos encontrar una buena variedad de platos y brazos de montaje, además de los tornillos y separadores de goma necesarios, tal como puede verse en las fotos que acompañan el articulo.
Dimensiones del servo Hitec HS-311
Si los servos que utilizamos son de algún otro modelo o fabricante, deberemos tener en cuenta que todas las medidas de las piezas a fabricar están basadas en las del HS-311, por lo que será necesario adecuarlas a los servos que se consigan. Otro punto a tener en cuenta es el torque, dado que pude ser tentado comprar micro servos, que son algo mas económicos y mas pequeños, pero que posiblemente sean incapaces de levantar el peso del robot terminado.
El hexápodo necesita 18 servos para las articulaciones de sus
seis patas, y henos empleado otro para la "cabeza", que consiste
básicamente en un sensor de distancia ultrasónico, que al ser movido por
el servo mencionado hace las veces de un sonar, devolviendo la
distancia que hay entre el robot y los obstáculos que tiene delante o en
cualquier dirección dentro del rango de 180 grados que puede ser
apuntado el medidor ultrasónico gracias al servo.
Aluminio
Para la construcción del chasis y de la parte mecánica de las patas, hemos utilizado aluminio,
obtenido en una fabrica de aberturas metálicas (puertas y ventanas),
debido a que en estas empresas se utilizan una gran variedad de
perfiles, algunos de los cuales tenían una sección que era útil a
nuestro proyecto.
Tornillos
El resto de los materiales son tornillos con la cabeza roscada,
obtenidos de los brackets que se proporcionan (o proporcionaban) con
muchos modelos de motheboards para la conexión de diversos periféricos.
Esta es la fuente de nuestros tornillos.
Para el montaje de las placas electrónicas que controlan el comportamiento y los movimientos del robot se utilizan los materiales comunes en estos casos, y están detallados mas adelante.
Herramientas
Las herramientas son las mas básicas. Hemos utilizado una sierra para
metales, lima, pinzas y alicates, un soldador y pinza de puntas, y un
mini torno marca Dremel, que si bien no es indispensable ayuda mucho en
el corte y acabado de las piezas de aluminio, agujereado de los PCB,
etc.
Sera muy útil disponer de un Dremel.
De mas esta decir que la herramienta en la punta de este torno gira a 30.000 rpm, y si por error nos toca las manos seguramente nos provocara una herida, así que recomendamos trabajar con cuidado y con los ojos protegidos por anteojos.
Contrucción mecánica
Veamos ahora los aspectos relacionados con la construcción del "esqueleto" de nuestro robot.
El chasis
El chasis es la pieza de nuestro robot que sirve de soporte a todas
las demás estructuras que lo componen, incluidas las patas, cabeza,
baterías, electrónica, etc., por lo tanto debe ser fuerte, a la vez que
liviano.
Como no se puede ir a la tienda y comprar un chasis para un robot
hexápodo, partimos de una pieza de aluminio de 510 x 120 milímetros (o
alguna medida parecida), de dos capas unidas por 3 tabiques verticales.
Esta pieza se utiliza como parte constructiva de puertas de aluminio, y
tiene un espesor total de unos 8 milímetros, siendo cada capa de
aluminio de un milímetro de grosor. La estructura interna le proporciona
una gran rigidez a la vez que mantiene el peso dentro de limites
aceptables.
Estos agujeros son ligeramente menores que los tornillos, por lo
que al atornillar el mismo tornillo (que es de acero) ira formando la
rosca sobre el aluminio (que es mas blando).
Usaremos los cojinetes de goma y las piezas de bronce que vienen con
los servos para fijarlos, de forma que proporcionen una cierta
elasticidad a la unión servo-chasis, que pueda absorber las vibraciones
de las patas. Si es necesario, deberemos cortar la punta del tornillo
que asoma por debajo del chasis, para evitar que queden bordes filosos
que nos puedan lastimar al manipular el hexápodo.
Sobre esta pieza se montan los servos que forman la primer
articulación de las patas, y el que sostiene y permite rotar la cabeza.
Para ello es es necesario realizar cortes y agujeros que permitan
fijarlos al chasis. Si vemos las medidas del HITEC HS-311, vemos
que su largo es de unos 40 milímetros, por lo que las ranuras para
alojarlos deberían ser de entre 41 y 44 milímetros para que entren con
holgura. Luego, con una broca de 1 Mm. practicamos los agujeros
necesarios para que sirvan de tuerca a los cuatro tornillos de fijación
de los servos.
Esquema del chasis.
En la foto se puede ver que además de los 7 cortes para los servos se han mecanizado las cuatro esquinas del chasis. Esto es para permitir que las patas traseras, y sobre todo las delanteras, tengan un radio de giro mayor. Esto permite que, por ejemplo, el robot se pare sobre las cuatro patas traseras y pueda levantar las delanteras y ponerlas por delante de la cabeza. Con la programación adecuada, esta posición podría servir para que el hexápodo levante objetos usando las dos patas delanteras como si fueran una pinza.
Las patas
La parte más complicada de la construcción mecánica del hexápodo son las patas.
Para evitar el tener que dibujar planos detallados de cada pieza,
hemos utilizado fotos y sobre ellas dibujado las líneas de cota y las
medidas, lo que hace muy fácil de entender como debemos cortar y
ensamblar las piezas.
Lo primero que hicimos fue mecanizar las piezas de color rojo,
con forma de cruz, que acompañan a los servos y que pueden verse en las
fotos. Elegimos esta pieza por ser la de cuerpo más generoso, ya que
deberá soportar el peso del robot sobre ella.
Para dejarlas listas para usar, simplemente con la sierra o un
alicate cortaremos tres de los cuatro extremos, y con el Dremel
puliremos los cortes para que los bordes queden redondeados. En la
imagen podemos ver las lineas negras indicando los lugares por donde se
debe cortar, y marcadas con una “X” las partes que descartaremos por
ahora.
Guia para cortar.
Como explicábamos antes, se utilizaron perfiles de aluminio disponibles comercialmente para intentar que el maquinado necesario de las piezas sea mínimo. En el caso de las patas, los perfiles utilizados son los de la figura de abajo, básicamente un perfil “U” con un ancho de 22 milímetros y un alto de 3 milímetros, y otro que también es muy parecido a una “U”, al menos una vez mecanizado.
Medidas de las patas.
Los servos empleados disponen de un eje en uno solo de sus lados, por lo que debemos realizar una pieza de aluminio que se pegara a la base del servo con cinta adhesiva de doble faz, y a la que se atornillara un tornillo con cabeza roscada sobre el cual se atornillara a su vez el tornillo que hará de segundo eje del servo.
Esta pieza tiene 40 milímetros de largo, y un agujero a 8.5
milímetros de un extremo. En este agujero, que deberá ser de un diámetro
ligeramente menor al de los tornillos de cabeza roscada que hayamos
recuperado de los brackets, ya que hará las veces de tuerca de los
mismos.
Al momento de pegar esta pieza al servo debemos cuidar que este
agujero quede alineado con el eje del servo de manera que la pieza que
pivotee sobre el lo haga en forma perfectamente perpendicular a el.
Puede ser una buena idea, si están disponibles, utilizar las tuercas de
los tornillos de cabeza roscada para dar mayor solidez a la unión con la
base de aluminio.
Medidas y detalles del montaje de la pata.
Al momento de pegar esta pieza al servo debemos cuidar que este agujero quede alineado con el eje del servo de manera que la pieza que pivotee sobre el lo haga en forma perfectamente perpendicular a el. Puede ser una buena idea, si están disponibles, utilizar las tuercas de los tornillos de cabeza roscada para dar mayor solidez a la unión con la base de aluminio.
El servo así preparado será el que montemos sobre el chasis,
constituyendo la articulación de la para que le permite el movimiento
desde atrás hacia delante y viceversa. Este montaje se realizara
utilizando los tornillos y bujes de goma que vienen con el servo.
Articulación de la cadera.
La segunda pieza se obtiene realizando 5 agujeros a una de las piezas de aluminio blanco que se ve en las fotos, con una forma parecida a una “U”, cuyo espesor es de aproximadamente un milímetro y su ancho unos 20 milímetros. Los dos agujeros de uno de los extremos son necesarios para fijar esta pieza a la de color rojo que se atornilla al servo, y que hemos preparado antes. Los tornillos que usamos para este fin salieron de un par de lectoras de CD-ROM que no funcionaban.
El agujero que esta en el otro de los extremos de la pieza es la
que permite pasar libremente al tornillo que, atornillado en la cabeza
del tornillo con cabeza roscada, hace las veces de segundo eje. Este
tornillo del tipo de los que se utilizan en las PC para fijar las
lectoras de CD-ROM o disketeras de 3 1/2 al gabinete.
Los últimos dos agujeros de esta pieza sirven para unirla a otra
igual a ella, montada a 90 grados, y a la que se une el siguiente servo.
Estos dos agujeros los hemos practicado a unos 10 milímetros uno del
otro, y los hemos hecho ligeramente mas pequeños que los tornillos
empleados, de forma de que el aluminio haga las veces de tuerca al
forzar los tornillos en ellos. Los tornillos usados en esta etapa son
los que habitualmente se emplean en los gabinetes de las PC para montar
las tapas, con un paso de rosca algo mayor a los usados como segundo
eje.
La “pierna” del robot esta construida con dos servos solidarios
entre si. Uno de los extremos de la pierna se une a la articulación que
montamos sobre el chasis, haciendo las veces de “cadera”, y permitiendo
que la pierna se mueva desde arriba hacia abajo y viceversa; y el otro
se une a la pieza que describiremos mas adelante y que forma la rodilla y
el pie de la pata.
Detalles y medidas de la ultima porción de la pata del hexápodo.
La forma de unir ambos servos entre si no puede ser más sencilla: basta con cortar dos piezas de la “U” de aluminio que usamos antes para hacer la base del primer servo. Una de ellas de un largo de 95 milímetros, sobre la que se practicaran dos agujeros, uno en cada extremo, a unos 8,5 milímetros del final de la pieza, en las que se atornillaran los tornillos de cabeza roscada que harán las veces de segundos ejes de estos dos servos. Una vez puestos en su lugar estos tornillos, utilizando si es necesario las tuercas correspondientes, procedemos a pegar sobre ella (del lado cóncavo) los servos, mediante tiras de cinta doble faz de buena calidad.
Los servos deben quedar uno pegado al otro, y se atornillaran
entre si utilizando para ello la segunda pieza a construir, de 15
milímetros de largo y cuyas medidas y separación entre los 4 agujeros
que tiene se puede ver en las fotos que acompañan el articulo.
Como decíamos antes, el extremo superior de la pierna se
atornilla al servo que esta sobre el chasis mediante una pieza en forma
de “U”, tal como se ve en las fotos. El otro extremo es el del servo que
hace las veces de rodilla, y que se une a la pieza que describimos a
continuación.
Detalles y medidas de la ultima porción de la pata del hexápodo.
El ultimo tramo de la pata, que va desde la rodilla hasta el pie esta construido doblando y uniendo entre si dos planchuelas de aluminio de un milímetro de espesor, una de ellas de 13,5 milímetros, y la otra de 14 milímetros. Ambas planchuelas, una vez dobladas tal como se ve en la foto, se perforan en cinco puntos, dos de ellos servirán para pasar sendos tornillos que mantendrán las piezas unidas entre si; otros dos (en la planchuela mas corta) sirven para unir mediante dos tornillos la pata al servo, mediante la pieza plástica de color rojo que mecanizamos antes. Por ultimo, un agujero realizado en la planchuela mas larga servirá para que un tornillo pase a través de la planchuela y se rosque sobre la cabeza del tornillo roscado que esta en la pieza de la base del servo (ver mas adelante) haciendo la vez de eje.
Como detalles de terminación, que pueden dejarse al gusto o
habilidad de cada uno, se corto la cabeza del tornillo que esta en el
extremo de la pata, y se cubrieron partes de la misma con spaghetti
termocointraible del utilizado para aislar conductores eléctricos.
La decisión de usar el spaghetti se debió a que las planchuelas
utilizadas para esta parte de la pata provenían de un perfil “L”
cortado, cuyos bordes no quedaron todo lo prolijos que nos hubiera
gustado.
Para cada pata necesitamos tres servos, tres piezas plásticas
rojas debidamente mecanizadas, 6 tornillos pequeños (recuperados de una
lectora de CD-ROM en nuestro caso), 3 tornillos de cabeza roscada con
sus respectivas tuercas (obtenidos de los brackets), 3 tornillos de PC
de rosca fina, y 4 tornillos de PC de rosca gruesa.
En cuanto a las piezas de aluminio, necesitamos dos “U” grandes,
de dos centímetros de ancho cada una (ver fotos), y un tramo de la
planchuela en forma de “U” utilizada en la base de los servos y como
unión entre los mismos. Si sumamos los pedazos utilizados de este
perfil, y lo desperdiciado en los cortes, encontraremos que con unos 16
centímetros de ese material nos alcanza (por pata).
Perfil de aluminio utilizado. Las medidas están en milimetros.
Queda por resolver el ordenamiento de los cables, que como veremos
mas adelante, una vez que hayamos ubicado las placas electrónicas de
control sobre el chasis, los cortaremos de la medida adecuada y los
ajustaremos con precintos o espagueti termocontraible.