Saber Electrónica

Mini-robóticaMini-robóticaConstrucción de Prototipos

La robótica es uno de los te-mas más apasionantes de latecnología actual, pero hayuna rama derivada de ella queha cobrado auge entre la co-munidad de lectores desde elaficionado y el estudiante has-ta el profesional, es la mini-ro-bótica, y la presente nota es elinicio de una serie que losacercará a este tema de unamanera práctica y sencillaguiándolos en el entendimien-to y la construcción de un mó-vil el cual con cada número tendrá módulos funcionales que lo dotarán de prestacio-nes cada vez más avanzadas.

Autor: Ing. Juan Carlos Téllez Barrerae-mail: tellezcarlos@hotmail.com

ARTÍCULO DE TAPA

INTRODUCCIÓN

El estudio de los insectos hadestacado que de una manera or-ganizada y ejecutando tareas senci-llas bien definidas se pueden ejecu-tar funciones en comunidad bastan-te complejas, esto puede recrearsecon pequeñas unidades robóticasautónomas operando bajo los mis-mos principios que puedan imitarde manera muy aproximada a di-chas comunidades, y así como estehay muchos ejemplos representati-

vos en los cuales se encuentra in-volucrada la mini-robótica.

Su aplicación no es exclusiva dela investigación, en el ámbito re-creativo se ha extendido bastanteasí como su uso como herramientaeducativa ha dado como conse-cuencia la proliferación de concur-sos estudiantiles de “mini-robótica”donde pequeños “engendros” ha-ciendo gala de la electrónica depunta pueden desde seguir una lí-nea hasta sortear obstáculos pormedio de visión artificial, pero aquí

llegamos a un punto muy importan-te antes de seguir,

¿Quienes los construyen? ¿quénecesito para construirlos? ¿es ne-cesaria una preparación técnica pa-ra poder llegar a construir uno pro-pio? ¿su costo es muy alto? ¿yopuedo hacerlo?

Como respuesta a estas interro-gantes he aquí el presente artículoel cual de manera muy condensadapretende contestar esta y más pre-guntas. Mi interés es que con estas

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notas se entiendan los principios bá-sicos y la finalidad de los mini-robotsy sobre todo, que quede claro quecualquier persona podrá construirlo,desde el aficionado hasta el técnicoexperimentado y al mismo tiemposirva de apoyo a los profesionalesen potencia para inclinarse a reali-zar sus estudios en alguna ramaafín, no es necesario invertir dema-siado dinero ni tener un nivel eleva-do de conocimientos ya que al cons-truirlo aprenderemos y será sobretodo con un lenguaje sencillo y sinmanejar conceptos muy profundos,así que manos a la obra.

DEFINICIÓN DE ESTRUCTURAS

Antes que nada todos tuvimosesta pregunta:

¿Qué son los mini-robots? Son aquellos robots de bajo cos-

to cuya función primordial es la rea-lización de tareas sencillas que pue-den ejecutar con el mínimo de erro-res. Esta descripción es un tanto ge-neralizada pues ahora pueden eje-cutar funciones muy sofisticadas pe-ro nos centraremos en el conceptoinicial, la simplicidad de funciones.Lo anterior es muy importante yaque el definir de manera adecuadael tipo de mini-robot que deseamosconstruir y el fin al cual lo enfocare-mos nos delimitara en gran medidalas herramientas o elementos aabordar para poder llevar a cabo undiseño óptimo y por consiguienteque cumpla la función para la cualserá diseñado.

Podemos mencionar 4 tipos im-

portantes de mini-robots: Terrestres,acuáticos, aéreos y espaciales, delos cuales por ahora nos limitaremosa los mini-robots terrestres, específi-camente a los dotados con ruedasya que son los más utilizados debi-do a su simplicidad y facilidad deconstrucción, su capacidad de car-ga, mayor control y estabilidad me-cánica aunque tienen en contra quese limitan a terrenos planos y quelos posibles obstáculos que se pre-senten no deben ser mayores al ta-maño de las ruedas. Se presentancuatro estructuras básicas, tal comose puede apreciar en la figura 1.

Diferencial: Se componen de 2 ruedas en un

eje común, cada rueda se controlaindependientemente, puede realizarmovimientos en línea recta, en arco

Figura 1

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Mini-robótica: Construcción de Prototiposy sobre su propio eje de contacto derodamiento, requiere de una o dosruedas adicionales para balance oestabilidad. Sencillo mecánicamen-te, puede presentar problemas deestabilidad y su cinemática es sen-cilla (La cinemática de un robot serefiere a la manera en que se mue-ve), para lograr el movimiento en lí-nea recta requiere que las dos rue-das de tracción giren a la misma ve-locidad.

Sincrono: Todas las ruedas se mueven al

mismo tiempo (manera sincrona)para el avance y vuelta. Las ruedassiempre apuntan en la misma direc-ción, para dar vuelta giran sobre supropio eje de apoyo manteniendo laposición del frente del robot, evitainestabilidades y pérdida de contac-to diferencial, pero presentan el in-conveniente de complejidad mecáni-ca.

Triciclo: Dos ruedas de tracción fijas y

una tercera para la dirección sin

tracción, presenta estabilidad y sim-plicidad mecánica con facilidad paralos movimientos rectos pero presen-ta una cinemática compleja, esto esque para realizar giros y vueltas re-quiere de grandes desplazamientoso movimientos

Carro: Es similar al triciclo, cuenta con

dos ruedas de tracción y dos ruedasde dirección, tiene buena estabilidady facilidad para movimientos rectospero presenta mayor complejidadmecánica por el acoplamiento entrelas dos ruedas de dirección y tam-bién complejidad cinemática.

A partir de este punto nos referi-remos al mini-robot como un “móvil”,y como tal se rige con algunos de losprincipios de la robótica. El primero ymás importante de ellos para nues-tros fines son los grados de libertad,lo que en pocas palabras podemosdefinir como “la capacidad de movi-mientos que puede realizar”, y conrespecto a un punto de referencia(posición en el espacio) tiene tres, la

posición X, posición Y y su orienta-ción (ángulo con respecto a su posi-ción de origen, figura 2). Desdecualquier punto donde inicie su mo-vimiento se tendrá una posición X,Yy una orientación (ángulo).

¿Cuál es la importancia de lo an-terior?

Que esto nos ayudara a justificaralguna estructura de las nombradasanteriormente para construir nuestromóvil, ya que por experiencia en au-las el error recurrente es que usan laestructura del primer carro de jugue-te que encuentran y al no percatarsede la complejidad mecánica que im-plica muy difícilmente logran quefuncione.

Para lo anterior recurrimos a las“Restricciones Cinemáticas” (aplica-das a nuestro móvil), esto es, la re-lación que hay entre los diferentesgrados de libertad y su repercusiónen los demás cuando cambia de po-sición alguno de ellos. Traducido anuestros mundanos fines, quiere de-cir que si desplazo a mi móvil o locambio de orientación que movi-

mientos implica realizar,y si analizamos las es-tructuras básicas pode-mos determinar que lamás sencilla por la facili-dad para realizar despla-zamientos con el mínimode movimientos es la di-ferencial. Si quieren unejemplo comparen losmovimientos que realizaun automóvil para esta-cionarse en un lugar re-ducido contra los querealizaría un carro de“hot dogs” (figura 3). Quizá no es la maneramas ortodoxa para re-presentarlo, pero sí muyilustrativa. Ya que elegi-mos la estructura base,necesitamos construirlay dotarla de la electróni-ca necesaria para quefuncione prácticamente

Figura 2

desde el principio. Pero antes dedarnos a la tarea de conseguir todolo necesario debemos de aclararotros puntos.

La estructura básica de cualquiermóvil la podemos simplificar de lamanera especificada en la figura 4.

Sistema de alimentación: Se compone de pilas, baterías

celdas solares o cualquier elementoque proporcione la energía para “ali-mentar” al Móvil.

Sistema de control: Es el que se encargará de proce-

sar las señales de los sensores e in-dicará el momento del funciona-miento de los actuadores.

Actuadores: Motores, electroimanes, luces o

elementos que lo dotarán de movi-miento o respuesta física.

Sensores: Interruptores, elementos infrarro-

jos, fotorresistencias, piroelementoso cualquier otro que se le parezcapara “sentir” el entorno o estímulo.

Queda claro que aquí involucra-mos elementos eléctricos y electró-nicos, dicho de otra manera “las tri-pas” de nuestro móvil. Lo sencillosería comprar el kit, montarlo y ad-mirarlo, pero si algunos quisieranconstruirlo con sus propias manos e

involucrarse más a fondo, tendríanque echar mano de las siguientesconsideraciones y de paso ahorrardinero.

La construcción parte del diseñoadecuado que nos dará la pauta pa-ra elegir los materiales de la estruc-tura principal y los motores que pro-porcionarán el desplazamiento o es-fuerzo. No es lo mismo motores decorriente contínua (C.D.) que moto-res a pasos, o si llevarán reduccióno girarán libremente, si no contem-plamos la carga total a desplazar o aqué estímulo va a reaccionar, a laluz o al contacto, éstos y muchosmás detalles delimitarán nuestro tra-bajo. Por tal motivo iniciaremos laestructura más sencilla y popular pa-ra nuestro mini-robot la cual seconstruye a partir de unos pocosmateriales y mecanismos que ob-tendremos de juguetes en desuso osi la economía lo permite con ser-vos.

Consideraciones de Materiales, Electrónica y Mecanismos

El construir un móvil requiere so-bre todo de ingenio, razón por lacual soy partidario del “reciclado” departes y materiales, la gran mayoríade los proyectos de este tipo no re-quieren gran inversión monetariapor lo que no se preocupen, entrelos “trebejos” tienen un móvil en po-tencia. En cuanto al material deconstrucción recomiendo láminas deacrílico, inclusive he visto móvilesarmados con cajas de CD (discoscompactos) o el CD mismo dándoleoriginalidad y vista agradable, el usode aluminio también es buena op-ción pero precisa de herramientasmás especializadas. Ambas opcio-nes son buenas para la construcciónde la base principal ya que ahí so-portaremos el peso de las pilas y cir-cuitos así como el fijado de los mo-tores.

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Figura 3

Figura 4

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Mini-robótica: Construcción de PrototiposPara la realización de los

circuitos es importante el usode tabletas universales porlas constantes adiciones decircuitos o modificaciones,para los más osados es váli-da la realización de circuitosimpresos pero esa tarea la fa-cilitaremos en ediciones pos-teriores que incluirán los im-presos y así darle una mejorpresentación en caso de queparticipe en algún concursoque están ahora en su cre-ciente apogeo. Si sólo desea hacerpruebas temporales el mismo proto-board puede fijarlo en su móvil y ha-cerlo parte de su base y así realizarlas modificaciones de último mo-mento o para ajustes empíricos, re-cuerde, todo es válido siempre ycuando trabaje ordenadamente y noquiera perderse en una maraña decables.

Un error constante es el uso dealambres en vez de cables, entre lossensores y circuitos el uso de cablesle dan la flexibilidad suficiente paralas modificaciones o adición de mó-dulos, el uso de conectores es fabu-loso y procuraremos usarlos más amenudo, el uso de alambres sólo esválido en el Protoboard ya que su ri-gidez limita los movimientos y esconstante un malfuncionamiento de-bido a alambres cortados entre mó-dulos.

¿Dónde consigo cable flexible? En cualquier tienda de electróni-

ca encuentra de varios cali-bres, o si tiene por ahí unMouse de PC dañado puedeobtenerlos de ahí y usarlopara sus conexiones a sussensores o entre tarjetas,puede reutilizar hasta lossensores que tienen dentro,sólo debemos tener cuidadoen que los cables no seantan delgados en las conexio-nes a las pilas y motores yaque por ellos fluirá mayor co-rriente.

Los mecanismos que darán mo-vilidad a nuestro “monstruo” debe-rán ser con reducción, los motoresen si no dan la fuerza (o torque) ne-cesaria para desplazar el peso y encaso de que así lo fuera la velocidadno nos daría la posibilidad de gober-narlo adecuadamente, la reducciónno sólo disminuye la velocidad sino“aumenta la fuerza “(esto debido alas relaciones mecánicas entre en-granajes) que puede ser aplicada acualquier mecanismo, en nuestrocaso a las ruedas motrices. Si supregunta es dónde conseguirlos,puede reciclar mecanismos de ju-guetes económicos, el uso de ser-vos es lo más adecuado ya que pro-porciona el torque o la fuerza sufi-ciente para el desplazamiento, mássin embargo su precio es muy eleva-do y nuestra finalidad es realizar unmóvil económico y funcional. Decualquier manera, más adelante sedescribirá el proceso de modifica-ción de un servo y su correcto em-

pleo. Quizá se preguntaránporque no se usan motores apasos, la limitante es su costoel cual es compensado por suprecisión, pero el conseguirmotores pequeños y que con-suman poca corriente es untanto difícil, además su apli-cación es mas justificable sinuestro proyecto fuera un ro-bot de mayor tamaño cuyaprecisión sea necesaria, suenfoque es a brazos robóticosy sistemas de ejes coordena-

dos, ante todo simplicidad es lo quenecesitamos.

Para simplificar el diseño los mo-tores con su respectiva reducciónlos consideraremos genéricos, estoes que su unidad principal sea unmotor de C.D. de 3 a 5 volt, de ahípartiremos a definir la estructura bá-sica y el por qué de la misma. Lo an-terior nos lleva a una cuestión impor-tante,

¿Qué comerá? ¿cuál será sufuente de energía principal?

Al rescate vienen toda una gamade baterías, se puede usar casi cual-quier batería recargable ya sea degel, NiCad, NiH, ion de litio como lasusadas en los teléfonos celulares,etc., hoy en día su coste ha dismi-nuido tanto que podemos esforzar-nos y comprar aquella que cumplacon nuestras expectativas de dura-bilidad y costo, pero como nuestra fi-nalidad es la simplicidad supondre-mos que usaremos el clásico porta-

pilas para cuatro unidades“AA” de 1.5 volts, esto nos da-rá en total 6 volts, si elegimoscualquier otra procuraremosque los voltajes que entreguensean cercanos a éste, de cual-quier modo por el momento nousaremos lógica TTL o algúnotro dispositivo que sea pocotolerante a variaciones de vol-taje cercanos al indicado, si sediera el caso de usar algunabatería de mayor voltaje lo in-dicado es utilizar un regulador

de voltaje de 5 Volts. Pero recuerde,que está en una etapa de inicio ysiga el camino simple, que no es lomismo que el mas fácil.

PLATAFORMAS ALTERNATIVAS

Solo lo tomaremos como comen-tario, en la actualidad hay una granvariedad de “juguetes” educativosque pueden servirnos como platafor-ma base para construir mini-robots,

las más popu-lares son elLEGO y el ME-CANO, la pri-mera tiene unaserie llamadaTechnic queestá enfocadaa la construcción de infinidad de pro-totipos, desde una simple articula-ción hasta un robot manipulador conelementos neumáticos. Y si bien sonmuy flexibles lo complicado es el

conseguir los elementos reduc-tores y motores que sólo pue-des adquirirlos en casas espe-cializadas, que son un poco ca-ros, el adquirir algún kit básicopara armar algún vehículo nosproporcionará las piezas nece-sarias para construir nuestromóvil, con sólo unas cuántasmodificaciones y un poco de in-genio podemos adaptarlos amotores comunes y corrientes,ante todo lo dejaremos a lacreatividad de los lectores y asu bolsillo. Una opción muy via-ble es el reciclado de juguetes

en desuso o económicos que seande baterías, las ruedas, motores, ca-jas de reducción y hasta los portapi-las pueden ser reutilizables y porconsiguiente económicos.

ESTRUCTURA BÁSICA DEL MÓVIL

La estructura básica es la mos-trada en la figura 5 que nos muestrauna configuración de tres ruedas.Como se indica, dos de las ruedasque denominaremos ruedas motri-ces son las responsables del des-plazamiento del móvil y serán impul-sadas por una caja de reducción yun motor de DC por cada una, estacaja puede ser de algún juguete oun servo modificado (posteriormentese explicará la técnica de modifica-

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Figura 5 Figura 6

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ción), la tercer rueda es de giro libreo “rueda loca” que está adosada aun eje que no es concéntrico permi-tiéndole así no presentar alguna re-sistencia al desplazamiento del mó-vil y su función principal es de apo-yo.

Las ventajas en cuanto a su des-plazamiento (figura 6) son las si-guientes: al girar las ruedas motricesa la misma velocidad el móvil sedesplazará en línea recta, si en al-gún momento deseamos que el mis-mo gire hacia la derecha o izquierdapodemos detener uno de los moto-res y el móvil dará vuelta tomandocomo eje de giro el punto de contac-to de la rueda queesté detenida, encaso de girar en elotro sentido el ejede giro será la queesté en turno sin gi-rar, analizando és-tos movimientos ob-servamos que eldesplazamiento esmínimo al dar vueltaademás que ya norequeriremos de al-gún otro motor quehaga la función deeje de dirección co-mo sería necesario

en caso de ser de cuatro ruedas (porejemplo el automóvil), la rueda locasolo cumple la función de dar estabi-lidad al sistema. Lo anterior es váli-do para cuando el móvil sólo tiene lacapacidad de que sus ruedas motri-ces se desplacen en un solo sentido.

Las cosas mejoran para el casoen que las ruedas motrices tengan lacapacidad de invertir su sentido degiro (figura 7), si hacemos girar lasruedas una en sentido contrario a laotra el eje de giro del móvil será laparte central del eje imaginario quepasa por las dos ruedas. Esto darála posibilidad de que podamos orien-tar al móvil en cualquier dirección o

que gire sobre si mismo 360 grados.Las ventajas son:

-Girar sobre si mismo 360 grados.-Evadir obstáculos más fácilmen-

te.-Moverse en lugares muy reduci-

dos.-Menor lógica de control sobre

los motores en su etapa inicial.-Control total del desplazamiento

del móvil por medio de PMW (Modu-lación por ancho de pulso).

Una vez que definimos nuestraestructura básica y sus ventajas po-demos pasar a la construcción de lamisma, la nota del siguiente númeroproporcionará los elementos nece-sarios para la construcción de nues-tra estructura base y la prueba deoperación sin sensor de ningún tipo,conforme el móvil “evolucione” e in-corporemos la electrónica necesariapara su funcionamiento lo conjunta-remos con la teoría necesaria parasu análisis de funcionamiento y elconstructor se aventure a incorporarmejorías o simplemente disfrute desu creación robótica.

Mientras tanto una de las mejo-res referencias para que tengan ideade lo que se puede lograr con un mi-ni-robot es: http://www.depeca.ua-h.es/alcabot/

Por último, aclaramos que ésteartículo es el primero de una serie

destinada a explicar-le cómo armar supropio prototipo. SiUd. no quiere espe-rar hasta la próximaedición, puede bus-car los borradoresde diseño, tanto dela parte mecánicacomo de la parteelectrónica en nues-tra web: www.webe-lectronica.com.ar,debe dirijirse al íco-no password e in-gresar la clave: sa-robot. ✪

Figura 7