El presente artículo describe el diseño y construcción de un prototipo micro-robot móvil de seguimiento de pista cerrada donde el número de vueltas se configura a un número determinado para después detenerse.
Introducción
El avance tecnológico cada día es más vertiginoso, el área de la electrónica no podría rezagarse en este avance. Día con día surgen nuevos dispositivos electrónicos más veloces y pequeños, con un menor costo. Estas tecnologías permiten que los nuevos dispositivos sean más compactos y por lo tanto que puedan aplicarse al área de la micro-robótica.
La construcción de este prototipo se realizó con el objetivo de participar en el concurso anual de mini-robótica ( http://www.minirobotica.org/ ), especialmente de aquellos que siguen una trayectoria dibujada en una pista. La trayectoria es de 8.0 m de longitud de color blanco de 1.5 cm . de ancho sobre fondo mate, que tiene una línea perpendicular para el conteo de vueltas.
El robot consiste de una base metálica de aluminio (chasis) para fijarse sobre ella el tren de engranaje, motores, ruedas, detector y el tablero de control, ver Fig. 1.
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| Fig. 1 . Diagrama a bloques de los componentes del micro-robot |
El par de motores del robot es manejado por el CI L293D quien recibe una señal eléctrica proporcionada por el conjunto de sensores de luz IR (infra-roja) ver Fig. 2. El conjunto de sensores de luz IR consiste de un par emisor-detector que polarizado adecuadamente envía una señal eléctrica de 0 a 5 Volts ("0" ó "1" lógico), dependiendo del color donde se refleje la luz IR. Los sensores están colocados a una distancia de 1.8 cm. entre sí y dependiendo del nivel de luz reflejada por la superficie blanca o negra, el sensor en cuestión proporciona un nivel lógico "0" ó "1" respectivamente.
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| Fig. 2. Diagrama simplificado del detector de contorno y pista. |
El control de giro de los motores es en solo sentido permitiendo el avance y dirección del robot. Si el sensor izquierdo y el sensor derecho se encuentran en una región del mismo color el robot gira sus ruedas a la misma velocidad y dirección recta, ver Fig. 3.
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| Fig. 3 Diagrama a bloques del robot móvil |
En caso de que el sensor izquierdo (ver Tabla 1) se encuentre en una región blanca y el sensor derecho se encuentre en una región oscura el robot se moverá a la izquierda (derecha). Cuando el robot complete cierto número de vueltas debe detenerse. El número de vueltas es programable desde 1 a 10, para nuestro caso quedó programado en cinco vueltas para cumplir con los requerimientos de la competencia.
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| Tabla 1. E specificaciones de giro de los motores del robot. |
El conteo del número de vueltas está determinado por un CI contador, este circuito esta configurado para que inicie la cuenta regresiva desde cinco hasta cero. El pulso de conteo descendente es proporcionado por el sensor de conteo . Cuando el contador cuenta cinco vueltas envía un pulso al L293D para deshabilitar la polarización de los motores y así parar el robot. La construcción de este prototipo fue realizada con materiales que fácilmente se pueden encontrar en centros de venta de componentes electrónicos. El tren de engranajes y los motores de CD fueron obtenidos de un carro de juguete de bajo costo. El prototipo final ensamblado completo se muestra en la figura 4, donde puede observarse la parte electrónica y mecánica.
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| Fig. 4 Prototipo micro robot "roquero" |
Las pruebas realizadas al micro-robot fueron realizadas en una pista de formaica de color negro mate a la cual le pegó una cinta de color blanca de 1.5 cm. de ancho. La trayectoria a seguir debe de ser de 8.0 m de longitud con curvas cuyo radio de curvatura mínimo es de 10 cm.
Descripción de funcionamiento
La parte electrónica del micro-robot no requiere de ningún tipo de microprocesador o memorias ni Pal's, Gal's etc. básicamente consiste de 3 CI:
El LM324 se utiliza como comparador; los amplificadores operacionales (AO) U1a y U1b, ver Fig. 5, conectados a los fotodiodos IR permiten discriminar los niveles de la luz IR emitida por LED's de luz IR D1, D2 y D3 que es captada por los fotodiodos D4, D5 y D6 respectivamente, ver Fig. 6. La señales producidas por U1a y U1b (SI y SD) son invertidas por los transistores Q1 y Q2 para producir las señales de control (/SI y /SD).
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| Fig. 5 Detector de niveles e inversión |
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| Fig. 6 Etapa de detección de luz IR reflejada |
El emisor y receptor (izquierdo ó derecho) de detección de dirección están separados a una distancia de 5 mm. El detector izquierdo está separado 2 cm. de distancia del detector derecho y toda la parte inferior se pintó de negro mate para evitar la detección de reflejos indeseados. Así mismo se le agregó un capacitor de 0.1 uF para la eliminación de ruidos transitorios. También se le agregó un voltaje de referencia ajustable para compensar la iluminación existente en el ambiente, ver Fig. 7.
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| Fig. 7 Voltaje de referencia de los AO |
El L293D se encarga del manejo de los motores de CD y puede manejar hasta 1 Ampere de corriente con voltajes de operación desde 4.5 hasta 36 Volts de manera bidireccional, pero en este caso se utiliza para que los motores giren en un solo sentido, ver Fig. 8. Las señales SI y /SD (/SI y SD) conectadas al arreglo NOR (se requiere una OR) de transistores correspondientes producen la señal de salida que debe alimentar a la entrada IN1 (IN2) del L293D. Las señales de salida del L293D deben estar invertidas. Para lograr la inversión de las señales se conectan los motores a voltaje para activarse cuando sea cero volts.
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| Fig. 8 Compuertas lógicas y etapa de amplificación de corriente |
EL MMC40192 es un contador síncrono programable de década ascendente/descendente que puede programarse con conteo ascendente o descendente, ver Fig. 9.
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| Fig. 9 Circuito contador descendente de 0 a 10 |
El pulso de reloj se obtiene del AO U1C (Fig. 5). En este artículo el contador se emplea en cuenta descendente; la entrada CD del pin 4 es la del pulso de reloj de cuenta descendente. Cada vez que el micro robot se energice el contador se restablece a al valor proporcionado por el DIP switch conectado en los pines J1-4 del contador . La acción de restablecimiento ( reset pin 14 ) se genera por la resistencia y el capacitor conectados a este nodo. Cuando la cuenta llega a cero se genera una señal de préstamo /B que se conecta al L293D para dejar de energizar los motores del micro-robot. Esta señal se amplifica en corriente por medio del U5d para asegurar el funcionamiento deseado del L293d, ver Fig. 10.
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| Fig. 10 Amplificador de señal para el contador |
Otra parte importante del micro-robot es la fuente de alimentación del micro-robot, ver Fig. 11. Esta fuente tiene un diodo de protección contra errores de conexión de la batería, tiene la desventaja de que la batería se descarga si no se percata del error pero no se daña el circuito. Se la agregó una etapa de filtrado de ruido que consta de un capacitor de 0.1 uF y otro de 100 uF. El interruptor permite restablecer el contador a la cuenta fijada y energizar toda la parte electrónica.
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| Fig. 11 Fuente de Poder de 6 V CD |
Cuando el interruptor se encienda asegúrese de colocar el auto en dirección recta como se indica en la Fig. 12.
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| Fig. 12 Micro-robot sobre la pista |
El listado de materiales de los diagramas esquemáticos citados se desglosa en la tabla 2.
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| Tabla 2. Listado departes electrónicas y mecánicas |
Conclusiones
El micro-robot presenta un desempeño muy robusto a la velocidad de giro de los motores cuando se polarizan con 6 volts de CD.
Se recomienda que toda la parte inferior sea de color mate y que el tablero electrónico de detección esté lo más cercano a la pista para evitar señales no deseadas.
En caso de que se desee aumentar la velocidad del micro-robot se debe tener en cuenta que el tablero de detección colocado adelantado favorece a la dinámica de comportamiento de micro-robot.
El desarrollo de este micro-robot permitió que se plantearan nuevas técnicas de control al tratar de llevar el robot al límite máximo de velocidad, tales técnicas son mediante el control neuronal y difuso.
Se hicieron pruebas experimentales con redes neuronales para el control de este micro-robot, las cuales serán propuestas en otro artículo.
