informe técnico de un sistema mecatrónico (robot gusano)

28 de septiembre de 2016

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA

Ingeniería en Mecatrónica

Diseño de Sistemas Mecatrónicos

Profesor Pedro Santana Sánchez

OTOÑO 2016

PRÁCTICA 1 ROBOT GUSANO

Informe Técnico

Eduardo Miguel Ricárdez Karla Carballo Valderrábano

ROBOT GUSANO 28 de septiembre de 2016

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ÍNDICE Resumen .......................................................................................................................................... 2

Abstract ........................................................................................................................................... 2

Palabras Clave ................................................................................................................................ 2

Introducción .................................................................................................................................... 2

Antecedentes ................................................................................................................................... 4

Objetivos del proyecto.................................................................................................................... 4

Objetivo General: ....................................................................................................................... 4

Objetivo Específico del equipo: ................................................................................................. 4

Metodología ..................................................................................................................................... 5

Materiales ........................................................................................................................................ 5

Sistemas del Robot.......................................................................................................................... 5

1) Sistema electrónico .......................................................................................................... 5

a) Comunicación Bluetooth ............................................................................................. 5

b) Detección de aplausos .................................................................................................. 6

c) Detección de sombra .................................................................................................... 6

d) Detección de choque ..................................................................................................... 7

e) Electrónica de potencia ................................................................................................ 7

2) Sistemas mecánicos .......................................................................................................... 8

a) Sistema Tornillo-Tuerca .............................................................................................. 8

b) Estructura (soporte del peso de componentes y soporte de esfuerzos) ........................ 8

3) Sistema de control ............................................................................................................ 8

a) Algoritmo de control .................................................................................................... 8

b) Aplicación en Android de Encendido/Apagado ...................................................... 10

Productos ....................................................................................................................................... 11

Conclusiones y recomendaciones ................................................................................................ 12

Bibliografía.................................................................................................................................... 12

ANEXOS ....................................................................................................................................... 14

Anexo 1 Código desarrollado para el Robot para un PIC18F4550 ..................................... 14

Anexo 2 Diseño Conceptual del Robot ................................................................................... 19

Anexo 3 Diseño y Simulación del Robot Gusano ................................................................... 22


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INFORME TÉCNICO

Título del proyecto: Robot Gusano

Nombre de los desarrolladores: Karla Carballo Valderrábano, Eduardo Miguel Ricárdez

Dirección y datos de contacto: Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

Correos electrónicos: [email protected],

[email protected]

Fecha de entrega de informe: 28 de Septiembre de 2016

Tiempo de ejecución del proyecto: 6 semanas (12/Agosto – 21/Septiembre)

Resumen Este informe detalla las actividades realizadas correspondientes al desarrollo de un robot que

asemeje el movimiento de un gusano. Este sistema se desarrolló como primera práctica para la

materia de Diseño de Sistemas Mecatrónicos de la Licenciatura en Ingeniería en Mecatrónica de

la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla durante el periodo de Otoño 2016. La finalidad

de este trabajo es tener un acercamiento con el desarrollo de sistemas mecatrónicos de una manera

más integral y formalizarlo a través de la documentación del mismo. El producto final es un robot

encendido vía Bluetooth por medio de una aplicación desarrollada para celulares con sistema

operativo Android, que reacciona ante choques y el aplauso del usuario cambiando el sentido de

su movimiento.

Abstract This report details the activities for the development of a robot that resembles the movement of a

worm. This system was developed as the first practice for the subject of Design of Mechatronic

Systems of the Bachelor of Engineering in Mechatronics at the Benemérita Universidad

Autónoma de Puebla during the 2016’s Autumn semester. The purpose of this work is to have an

approach to the development of mechatronic systems in a more comprehensive manner and

formalize it through documentation. The final product is a robot controlled via Bluetooth through

an application developed for phones with Android operating system, which also reacts to shocks

and user’s applause, changing the direction of its movement.

Palabras Clave Sistema Mecatrónico, Diseño, BUAP, Facultad de Electrónica, Robot Gusano, Sinergia, Biónica,

Movimiento Peristáltico.

Introducción Un sistema mecatrónico es un sistema integrador que recoge señales, las procesa y emite una

respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el mismo sistema.

Los elementos que lo componen son sensores, actuadores, sistemas de control, sistemas físicos y

sistemas de adquisición de datos. En la figura 1 se muestra un esquema de los principales

elementos de un sistema mecatrónico, incluyendo sus relaciones y los variables que se ven

involucradas en el mismo.


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Figura 1 Sistema Mecatrónico y sus componentes

Un robot es un sistema mecatrónico que responde a estímulos del ambiente mediante actuadores.

Se puede clasificar los distintos tipos de robots en 3 ramas: móviles, humanoides e industriales. El

robot desarrollado es del tipo móvil terrestre, pues su desplazamiento está pensado únicamente

para realizarse en tierra y no cumple con las características de figura humana para ser un

humanoide o de servir a un propósito industrial. La principal función y característica de un robot

móvil es el movimiento de la totalidad del robot respecto a un marco de referencia. Muchas veces

ésta locomoción es inspirada en los mecanismos ya existentes en la naturaleza, en este caso el

movimiento de un insecto, pues emula el desplazamiento de un gusano o lombriz tomando en

cuenta la recomendación de no usar servomotores y el requisito de originalidad en cuanto al

mecanismo de locomoción al no poseer patas, su movimiento peristáltico ha sido simplificado, de

manera de que no se requiere de una gran cantidad de actuadores o motores para poder recrearlo,

además la apariencia de un gusano es relativamente sencilla para su posterior fabricación y no

requerirá de una cantidad significativa de partes móviles que compliquen el diseño.

La locomoción en la mayoría de los animales artrópodos y vertebrados está basada en cambios de

los ángulos de sus articulaciones, en cambio, los organismos con cuerpos blandos, como la

lombriz de tierra (figura 2), se mueven en base a cambios coordinados en la forma y dimensiones

de los segmentos de su cuerpo; este movimiento ondulatorio es conocido como movimiento

peristáltico. En el ámbito de la Biología puede definirse como una serie sucesiva de contracciones

en torno al cuerpo del mismo y el desplazamiento de estas secciones contraídas respecto de las

dilatadas.

Figura 2 Lombriz de tierra


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Antecedentes Algunas compañías de equipo médico han comenzado a desarrollar robots de movimiento

peristáltico al ser una sencilla forma de moverse a través de los tractos digestivos del ser humano

o incluso de animales o también a través del torrente sanguíneo pues las venas y arterias, así como

los intestinos y tractos esofágico y laríngeo reducen la libertad de movimiento dentro de ellos a

prácticamente un solo grado de libertad que es paralelo a lo que podría considerarse como su eje.

Estos robots pueden aprovechar las mismas paredes de estos ductos para su movimiento o

simplemente seguir a través de los conductos, usándolos como vías de tránsito para llegar a su

destino. La importancia de esta clase de nuevos robots radica en la posibilidad de intervenir a un

paciente sin tener que realizar una cirugía que requiera de abrir el organismo, con todas las

desventajas que esto representa, (posibles infecciones, pérdida de sangre, necesidad de anestesia,

cicatrices de operación, etc.) esta nueva posibilidad de únicamente introducir un robot a través de

algún tracto está ganando terreno entre los cirujanos e incluso entre los mismos pacientes, pues se

sienten más seguros al no requerir de una cirugía abierta, además de la gran precisión con la que

puede contar el robot para realizar cortes, suturas, recolectar muestras, etc,. Si bien es un proceso

más sencillo introducir un pequeño robot a abrir las entrañas de una persona, este procedimiento

tiene algunos pequeños inconvenientes en la actualidad como dejar pequeñas lesiones en los

tractos donde pasa, los robots no son capaces de realizar tareas variadas y en su mayoría tienen

una única función, queda entonces una posibilidad de expansión y mejora de las capacidades de

esta clase de productos.

Objetivos del proyecto Objetivo General:

Diseñar e implementar un robot insecto autónomo de locomoción innovadora de dimensiones no

mayores a 20cm X 20cm el cual debe realizar las siguientes acciones:

Iniciar su funcionamiento de forma inalámbrica, encendido así como su apagado.

Desarrollar la locomoción del robot para avance y retroceso cuando se realice un aplauso,

cambiando su dirección de movimiento cada vez que se aplauda y cuando tenga un choque

frontal o trasero, para continuar su movimiento evadiendo el obstáculo.

Detener al robot inmediatamente en cuanto detecte la presencia de una mano en su parte

superior y continuar su avance en cuanto no detecte dicha sombra.

Considerar en el diseño:

Batería recargable.

Mecanismo de locomoción innovador.

Usar elementos de reciclaje, tanto mecánicos como electrónicos, en la medida de lo

posible.

No usar madera o plásticos, preferentemente utilizar sistemas de corte con CNC y/o

impresión 3D.

No usar protoboard, desarrollar los PCB y/o utilizar tarjetas comerciales.

Objetivo Específico del equipo:

Como ya se mencionó, existen aplicaciones específicas en el campo de la medicina y la cirugía

para este tipo de robots, sin embargo no se pretende crear un robot de proporciones suficientes

como para realizar una endoscopía, pero si el recrear de una manera más sencilla el movimiento

peristáltico, eliminando las dilataciones y contracciones de las secciones transversales del robot,

para dejar la tarea al desplazamiento independiente de secciones a fin de conseguir el mismo

movimiento.


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Metodología Para el desarrollo de este robot, primeramente se realizó el diseño conceptual, durante el cual se

decidió el tipo de insecto cuyo movimiento imitaría el robot, después de eso, se identificaron los

sistemas participantes en el mecanismo así como las partes que lo componen, dividiéndolo así en

principalmente en sistemas eléctricos, mecánicos y de control.

Posteriormente a ello, se diseñaron y simularon estos sistemas por separado, para que, una vez

que todos funcionaran en simulación (SolidWorks y Proteus), se implementaran físicamente, para

finalmente integrarlos y formar el robot insecto.

Materiales

1 PIC 18F4550

1 celular con sistema operativo Android

1 módulo Bluetooth HC05.

2 motores DC Pololu.

1 sensor CNY70

2 finales de carrera

1 micrófono

1 Compuerta OR 74LS32

1 puente H L293D

1 transistor 2n3904

1 capacitor de 100nF

5 resistencias de 10kΩ

1 resistencia de 1MΩ

1 resistencia de 330Ω

1 Cristal de 4MHz

Sistemas del Robot El robot se dividió para su funcionamiento en subsistemas, los cuales se detallan en los siguientes

párrafos.

1) Sistema electrónico

a) Comunicación Bluetooth

Con el fin de encender y apagar el robot de manera inalámbrica mediante una aplicación para

celular (sistema operativo ANDROID) usando además del Bluetooth del celular un módulo

Bluetooth HC-05 para recibir la orden de encender y apagar el robot, con una comunicación

serial, a través del protocolo SR232 a 9600 baudios.


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Figura 3 Sistema Electrónico para el encendido/apagado del Robot con comunicación Bluetooth

b) Detección de aplausos Para detectar un aplauso del usuario y así generar la orden de cambiar el sentido de

desplazamiento del robot, se utiliza un transistor NPN conectado a un circuito de carga y

descarga de un capacitor, el cual se ubica en la base del transistor para que a cada vez que

gracias al aplauso del usuario se cierre el circuito y genere una diferencia de potencial

entre los bornes del capacitor, esto provocará una corriente en la base que será amplificada

en el emisor, donde se tomará la señal de control.

Figura 4 Sistema Electrónico de Cambio de Movimiento por Detección de Aplauso

c) Detección de sombra Para pausar el movimiento del robot se tiene un circuito formado por un sensor de

refracción de luz ultravioleta, en el cual cada vez que el usuario acerque su mano, esta luz


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será refractada por él mismo hacia el receptor generando una corriente en su emisor que es

donde se recogerá la señal.

Figura 5 Circuito para pausar del movimiento de robot

d) Detección de choque El robot tiene como requisito que, al chocar con una pared, cambie de sentido, para ello se

desarrolló un simple switch realizado con un final de carrera, anclado a tierra mediante

una resistencia, para que una vez cerrado gracias al contacto físico debido a un obstáculo,

los bornes de la resistencia tengan una diferencia de potencial adecuada para ser detectada

por el microcontrolador.

Figura 6 Circuito de detección de choques

e) Electrónica de potencia Dos puentes H son utilizados para el control de la dirección de cada uno de los motores,

mandado por señales lógicas emitidas por el microcontrolador.

Figura 7 Circuito electrónico de Potencia para controlar el giro de los motores


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2) Sistemas mecánicos

a) Sistema Tornillo-Tuerca Para transformar el movimiento rotacional del motor, se optó por un sistema de tornillo-

tuerca, el cual transforma esa rotación en traslación lineal a lo largo del eje. Se escogió

este sistema dada su simplicidad para el acoplamiento con los motores y su costo

económico, pues ya existen los denominados motores lineales que realizan la misma

función, pero tienen un elevado costo.

Figura 8 Sistema Mecánico del Robot

b) Estructura (soporte del peso de componentes y soporte de esfuerzos)

La estructura original tuvo que ser re-diseñada con propósito de ser fabricada mediante

impresión 3D, pero su propósito es el mismo, brindar soporte a los componentes del

sistema y soportar el esfuerzo que se ejerce sobre el contorno de la tuerca en el momento

en que el tornillo entra o sale de la misma, así como soportar el motor y mantenerlo fijo en

los módulos extremo para transmitir el desplazamiento

Figura 9 Estructura del Robot Gusano

3) Sistema de control

El microcontrolador PIC18F4550 será quien funge como “cerebro del robot”, coordinando el

funcionamiento del mismo en conjunción con una aplicación desarrollada para celulares con

sistema operativo Android, por medio de comunicación Bluetooth.

En los próximos párrafos se detalla primeramente el algoritmo de control del robot, y

posteriormente la aplicación desarrollada en Appinventor.

En el Apéndice 1, se muestra el código desarrollado en el programa PICC CCS para este robot.

a) Algoritmo de control


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Para este algoritmo se utilizaron 3 tipos de tiempos:

t1 tiempo necesario para que los motores hagan el desplazamiento total de compresión o

extensión.

t2 tiempo en el que sucede una interrupción.

t tiempo corriente durante el programa.

1. Inicio

2. Inicializar variables t=0, t1, t2=0, s=1, i=0.

3. Estado de Espera

4. ¿Se recibió señal de encendido proveniente del Celular (vía Bluetooth)?

a. Si %Ciclo principal

i. ¿Tiempo t2=0?

1. Iniciar Secuencia de Movimiento (dependiente de posición anterior

y sentido de movimiento)

ii. ¿Tiempo t2=!0?

1. Por un tiempo t1-t2 hacer secuencia de Reinicio de Movimiento

(dependiente de sentido de movimiento anterior y posición anterior)

iii. Interrupción t=t1

1. t2=0

2. t=0

3. i=0 %Indicador de no cambio de sentido de movimiento

4. Regresar al ciclo principal

iv. Interrupción Señal “Apagar” proveniente del Celular (vía Bluetooth)

1. t2=t

2. s=1

3. i=0%Indicador de no cambio de sentido de movimiento

4. Regresar al estado de espera.

v. Interrupción “Pausa del movimiento”

1. t2=t

2. Mientras (Señal_Sensor_IR=1)

a. Tener apagados los motores

3. Fin Mientras



vi. Interrupción Cambio de dirección por choque

1. t2=t

2. s=¬s %Cambio de sentido de movimiento

3. i=1 %Indicador decambio de sentido de movimiento


vii. Interrupción Cambio de dirección por aplauso

1. t2=t

2. s=¬s %Indicador de cambio de sentido de movimiento

3. i=1%Indicador de cambio de sentido de movimiento


b. No

i. Seguir esperando

5. Fin


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b) Aplicación en Android de Encendido/Apagado

La aplicación para celular con la cual se enciende y apaga el robot fue desarrollada en App-

Inventor. En la figura 5 se tiene el diseño de la pantalla que ve el usuario, mientras que en la

figura 6 se tiene al editor de bloques.

Como se puede observar en las figuras, el programa tiene una opción de Conectar mediante el uso

de un botón, el cual mostrará los dispositivos Bluetooth disponibles para establecer una

comunicación con el celular. Una vez escogido el dispositivo se establece la comunicación al

presionar el botón “Conectar”. Se puede encender el robot enviando una indicación por medio del

Bluetooth al presionar el botón de ON/OFF; al volver a presionar el botón ON/OFF, el celular

enviará la indicación de apagar el robot.

Además se tiene la opción de salir de la aplicación, la cual termina la comunicación entre los

dispositivos y cerrará la aplicación.

Para finalizar, se tiene un recuadro en el cual se estará mostrando el estado del robot mientras la

comunicación esté establecida.


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Figura 10 Editor de bloques de la aplicación para celular

Productos

Producto Observaciones Desempeño

Sistema de

movimiento

Los postes roscados (espárragos) no son completamente

rectos, lo que genera ciertos esfuerzos en los soportes del

mismo. Los motores tienen el torque necesario para hacer

girar los espárragos, sin embargo el desplazamiento final,

debido a la velocidad de rotación del motor, es bastante

lento.

Adecuado

Sistema de detección

de aplauso

Requiere un aplauso fuerte, aunque trabaja bien aún con

ruido en el ambiente.

Bueno


de choque

Debido al resorte propio del sensor no detecta el

obstáculo hasta haber oprimido por completo el sensor

Bueno


de mano

El sensor tiene un rango de funcionamiento bastante

pequeño, se puede cambiar por un QRD1114

Adecuado

Sistema electrónico de

potencia

El puente H utilizado (L293D) para cada motor tiene un

consumo máximo de 3 A, en caso de una

implementación de motores más grandes se debe cambiar

el puente H por uno que soporte corrientes mayores

(L298)

Bueno

Sistema de control La tarjeta utilizada como soporte del PIC18f4550 es

demasiado grande para la cavidad destinada a su

emplazamiento en el robot pues originalmente se

pretendía realizar esta tarea con un PSoC

Bueno

Alimentación La batería LiPo con la que se realizaron las pruebas y Bueno


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demostración es demasiado grande para el espacio

disponible en el robot, se debe cambiar por una de menor

tamaño, quedan pendientes las pruebas con una pila

comercial de 9 V.

Figura 11 Robot Gusano

Conclusiones y recomendaciones Dadas las dificultades que se experimentaron para llevar a cabo este robot, se puede pensar que

aunado al diseño electrónico en conjunto con el diseño mecánico, se debe tener en cuenta la

disponibilidad de materiales y de procesos con los que se pretende construir el sistema, pues no

siempre los diseños pensados como solución a los requerimientos o necesidades presentadas se

pueden recrear con facilidad en la realidad con los procesos y/o materiales disponibles en el

entorno cercano al desarrollador. Si bien es cierto que la tecnología existente es vasta, no siempre

se encuentra lo suficientemente extendida o al alcance de toda la población, ya sea por un costo

elevado o por la inexistencia en determinada región; sin embargo, un ingeniero, debe encontrar

soluciones a estos inconvenientes mediante la aplicación de otros procesos o el rediseño conforme

a las posibilidades existentes, sin que se presente, a menos que sea una verdadera necesidad, la

invención de todo un proceso o la creación desde cero de nuevo conocimiento, pues esto lleva

tiempo y recursos, la solución debe tomar el tiempo justo y preferentemente basarse en la

tecnología, técnica y conocimientos existentes.

El desarrollo de un sistema mecatrónico es una ardua tarea que conlleva tiempo de planeación,

tiempo de desarrollo, pruebas, corrección de errores e implementación final. Como ya se

mencionó un sistema mecatrónico requiere de varias partes para funcionar, y cada una de ellas

requiere una especial atención sin descuidar su finalidad como miembro de un conjunto, esto es

muy importante pues de no ser así se puede llegar a un resultado que solucione la necesidad o

requerimiento individual, pero que no sea compatible con el resto del sistema mecatrónico.

Bibliografía

Reyes, F. 2011. Robótica: control de robots manipuladores. Primera Edición. Alfaomega

Grupo Editor. Pp. 42.


13 | P á g i n a

Castañeda, D. 2007. Movimiento Adaptativo en máquinas y animales (online). Disponible

en:

https://robotica2010.wikispaces.com/d+Movimiento+adaptativo+en+maquias+y+animales

(Obtenido el 20 de Septiembre de 2016)

Medtronic. 2010. Acerca de la cirugía de tiroides mínimamente invasiva (online).

Disponible en: http://www.medtronic.es/su-salud/tiroides/terapia/cmi/Que-es/index.htm

(Obtenido el 20 de Septiembre de 2016)



http://www.medtronic.es/su-salud/tiroides/terapia/cmi/Que-es/index.htm


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ANEXOS

Anexo 1 Código desarrollado para el Robot para un PIC18F4550


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Anexo 2 Diseño Conceptual del Robot

Robot Gusano La locomoción en la mayoría de los animales artrópodos y vertebrados está basada en cambios de

los ángulos de sus articulaciones. Los organismos con cuerpos blandos, como la lombriz de tierra,

se mueven en base a cambios coordinados en la forma y dimensiones de los segmentos de su

cuerpo; este movimiento ondulatorio es conocido como movimiento peristáltico.

Figura 12 Lombriz de tierra

Basados en este tipo de desplazamiento, se ha pensado diseñar un robot insecto que tratará de

emular el avance de un gusano mediante un movimiento peristáltico simple, es decir, el robot

constará de 3 segmentos en línea, conectados en secuencia (1 con 2 y 2 con 3), los cuales estarán

diseñados para ser desplazados uno en referencia a otro. Primeramente uno de los bloques

ubicados en los extremos (3) se hará avanzar respecto del resto del robot (1 y 2). Una vez

alcanzada su posición más lejana, se dejará en reposo para proceder a desplazar el bloque del

medio (2) hasta que este alcance su posición más lejana del único bloque que ha permanecido en

reposo (1), implicando con ello que también el bloque (3) sea desplazado aún más lejos del

bloque (1). Posteriormente se mantendrá en reposo el bloque (3) para acercar el bloque (2) y

finalmente se repetirá el acercamiento con el bloque que originalmente hizo el trabajo de “ancla”

(1).

Figura 13 Movimiento peristáltico simple del diseño propuesto


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Siendo este el sistema mecánico principal, los mismos módulos o bloques del robot servirían

como contenedores de la circuitería y los diferentes sensores necesarios para llevar a cabo las

tareas requeridas, al igual que para una tarjeta de desarrollo PSoC que será el “cerebro” del robot.

Se ha escogido esta herramienta debido a que el sistema tiene una gran versatilidad al permitir

ubicar cualquier función en cualquier terminal, gracias a la matriz configurable de funciones

analógicas y otra de funciones digitales, ambas necesarias para el uso de los diferentes sensores;

se ha tomado en cuenta también la facilidad de programar este microprocesador en lenguaje C, su

alta velocidad, pues puede trabajar inclusive hasta 48MHz, lo que se cree más que suficiente para

esta aplicación y, finalmente, su bajo costo.

Para realizar cada una de las tareas se dispondrán de los siguientes elementos:

Control remoto de encendido y apagado: modulo Bluetooth vinculado a un celular con una

aplicación sencilla

Detección de aplausos: micrófono

Detección de obstáculo: finales de carrera en ambos extremos del robot

Detección de señal de paro (mano sobre el robot): sensor óptico de detección infrarroja

Locomoción: motorreductores

Procesamiento: PSoC 4 CY8CKIT-049-42xx

El prototipo será fabricado en su mayoría mediante impresión 3D debido a la forma no tan

compleja de las piezas a fabricar y a la posibilidad de diseño hueco que ofrecen, aunado a esto se

tiene la posibilidad de utilizar un sistema de tornillo y tuerca, agrandados, y con un paso de

roscado amplio para el sistema de locomoción, para lo cual sería muy útil el poder imprimir en

3D el propio diseño de este sistema, en lugar de pistones que serían los usados comúnmente en

una aplicación de movimiento lineal como lo es el movimiento de cada bloque del robot, pero que

no tendrían cabida en este diseño principalmente por su alimentación hidráulica o neumática, sus

características físicas y su precio. La manera de utilizar estos tornillos y tuercas se plantean

siguiendo la línea de pensamiento que indica que al desatornillar, el tornillo tiene un

desplazamiento para salir de la tuerca y su contrario cuando se atornilla, esto lleva a pensar que si

se sitúa un tornillo en un bloque y una tuerca en otro y son accionados de esta manera, los

módulos se desplazaran uno con respecto al otro.


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Figura 14 Diseño Conceptual del Robot Gusano


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Anexo 3 Diseño y Simulación del Robot Gusano

Robot Gusano

Un sistema mecatrónico es un sistema integrador que recoge señales, las procesa y emite una

respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el sistema en el que

se va a actuar. Los elementos que lo componen son sensores, actuadores, sistemas de control,

sistemas físicos y sistemas de adquisición de datos. En la figura 15 se muestra un esquema de los

principales elementos de un sistema mecatrónico, incluyendo sus relaciones y los variables que se

ven involucradas en el mismo.

Figura 15 Sistema Mecatrónico y sus componentes

El robot insecto a desarrollar es un sistema mecatrónico, en el que serán usados los elementos

mencionados anteriormente. En el presente reporte se explicará el diseño y las simulaciones del

robot, dividido en 3 sistemas:

Sistema Mecánico

Sistema de Control.

Sistema Electrónico

Sistema Mecánico El robot insecto se compondrá de tres módulos alineados a lo largo del eje que los atraviesa,

formando una especie de línea que será el cuerpo del gusano. El movimiento se llevará a cabo

mediante una imitación sencilla del movimiento peristáltico, propiamente no es un movimiento

peristáltico pues este involucra contracciones y relajaciones radialmente simétricas, pero el

sistema mecánico de este robot asemejará el movimiento hasta cierto punto dada la forma de

desplazamiento que involucra desplazar los diferentes módulos respecto a los demás primero para

extender el gusano y posteriormente encogerlo en una posición adelantada a donde se inició el

movimiento.


23 | P á g i n a

Figura 16 Desplazamiento del Robot Gusano

Al ser un espacio reducido el que encontramos en cada módulo, un sistema de engranes sería poco

factible, así mismo un sistema de pistones, por lo cual hemos optado por generar una pieza central

con dos perforaciones con cuerda en la cual se enroscará o desenroscará su respectivo tornillo

dependiendo del sentido de giro, ocasionando un aproximamiento entre los módulos en extremos

del tornillo o distanciamiento.

Figura 17 Estructura interna del Robot Gusano

Este sistema nos permite aprovechar el espacio ocupado por el mismo cuerpo del robot y genera

un mecanismo simple sin tener que realizar grandes adaptaciones o cambios en la estructura

visible al público, manteniendo cierta estética.


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El movimiento será generado por motores eléctricos de corriente directa, fijos a la pieza

correspondiente a alguno de los extremos del gusano, que se acoplarán a un tornillo destinado a

entrar y salir de la pieza central ocasionando de este modo pequeños desplazamientos que al

realizarse en secuencia propiciarán el movimiento del robot completo.

Figura 18 Extremos del Robot Gusano

Sistema de Control La tarjeta de desarrollo PSoC 4 CY8CKIT-049-42xx será la que funja como “cerebro del robot”,

coordinando el funcionamiento del mismo en conjunción con una aplicación desarrollada para

celulares con sistema operativo Android, por medio de comunicación Bluetooth.

En los próximos párrafos se detalla primeramente el algoritmo de control del robot, y

posteriormente la aplicación desarrollada en Appinventor.

Algoritmo de Control Para este algoritmo se utilizarán 3 tipos de tiempos:

t1 tiempo necesario para que los motores hagan el desplazamiento total de compresión o

extensión.

t2 tiempo en el que sucede una interrupción.

t tiempo corriente durante el programa.

6. Inicio

7. Inicializar variables t=0, t1, t2=0, s=1, i=0.

8. Estado de Espera

9. ¿Se recibió señal de encendido proveniente del Celular (vía Bluetooth)?

a. Si %Ciclo principal

i. ¿Tiempo t2=0?

1. Iniciar Secuencia de Movimiento (dependiente de posición anterior

y sentido de movimiento)

ii. ¿Tiempo t2=!0?

1. Por un tiempo t1-t2 hacer secuencia de Reinicio de Movimiento

(dependiente de sentido de movimiento anterior y posición anterior)

iii. Interrupción t=t1

1. t2=0

2. t=0



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iv. Interrupción Señal “Apagar” proveniente del Celular (vía Bluetooth)

1. t2=t

2. s=1

3. i=0%Indicador de no cambio de sentido de movimiento

4. Regresar al estado de espera.

v. Interrupción “Pausa del movimiento”

1. t2=t

2. Mientras (Señal_Sensor_IR=1)

a. Tener apagados los motores

3. Fin Mientras



vi. Interrupción Cambio de dirección por choque

1. t2=t

2. s=¬s %Cambio de sentido de movimiento

3. i=1 %Indicador decambio de sentido de movimiento


vii. Interrupción Cambio de dirección por aplauso

1. t2=t

2. s=¬s %Indicador de cambio de sentido de movimiento

3. i=1%Indicador de cambio de sentido de movimiento


b. No

i. Seguir esperando

10. Fin

Aplicación en Android de Encendido/Apagado La aplicación para celular con la cual se encenderá y apagará el robot fue desarrollada en App-

Inventor. En la figura 19 se tiene el diseño de la pantalla que verá el usuario, mientras que en la

figura 20 se tiene al editor de bloques.


26 | P á g i n a

Figura 19 Pantalla de la aplicación para Celular

Como se puede observar en las figuras, el programa tiene una opción de Conectar mediante el uso

de un selector de lista, el cual mostrará los dispositivos Bluetooth disponibles para establecer una

comunicación con el celular. Una vez escogido el dispositivo y haberse establecido la

comunicación, el celular enviará la indicación de encender el robot.

Se tiene de igual manera un botón de desconectar, el cual terminará con la comunicación

Bluetooth, no sin antes enviar una indicación de apagar el robot.

Por otro lado se tiene la opción de salir de la aplicación, la cual incluye el apagar el robot y

terminar la comunicación entre los dispositivos.

Para finalizar, se tiene un recuadro en el cual se estará mostrando el estado del robot mientras la

comunicación esté establecida, este dato será enviado por el robot.


27 | P á g i n a

Figura 20 Editor de Bloques de la aplicación para celular

Sistema Electrónico El Sistema Electrónico del robot puede ser dividido en los siguientes subsistemas.

Comunicación Bluetooth para Encender/Apagar el Robot

Control del Giro de Motores

Detección de choque

Detección de aplauso

Pausa del movimiento


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Figura 21 Subsistemas del Robot Gusano

En los siguientes apartados se describirá el diseño y la simulación en el software PROTEUS de

los mismos.

Comunicación Bluetooth para Encender/Apagar el Robot Para encender y apagar el robot se usará una señal enviada vía Bluetooth por la aplicación

descrita anteriormente; esta señal será recibida por un módulo Bluetooth del tipo HC06 en el

PSoC, la cual indicará que el robot debe empezar a ejecutar el algoritmo de control necesario para

el movimiento del mismo.

El diagrama de la simulación en Proteus se muestra en la figura 8, en ella se puede ver que se

utilizó un PIC16F877A, esto porque en la librería del mismo no se halla el PSoC y porque ambos

son programables con el lenguaje C. Además se utilizó una librería que incluye un módolo

Bluetooth HC06 para simular la comunicación entre el robot y la aplicación del celular, por ello

se agregaron 2 de estos dispositivos, y por medio de una terminal virtual se monitorea los datos

enviados y recibidos por ambos.


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Figura 22 Circuito de Comunicación Bluetooth para el Encendido y Apagado del Robot

Para este caso se realizó un programa en el software PIC C, mostrado en la figura 23. El programa

únicamente encenderá un led cuando reciba una letra ‘e’ y lo apagará al recibir una letra ‘a’; este

código fue compilado e implementado en Proteus con éxito como se ve en las figuras 24 y 25,

simulando ambos casos, el envío de una e y una a, respectivamente.

Figura 23 Código de prueba para la comunicación Bluetooth


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Figura 24 Simulación de la Comunicación Bluetooth para Encender el Robot

Figura 25 Simulación de la Comunicación Bluetooth para Apagar el Robot

Control del Giro de Motores Para este subsistema se empleará el circuito integrado L293D, el cual es un puente H, con el que

se estará controlando la polaridad del giro de los motores de acuerdo a los valores de voltaje de

entrada en el mismo. En la figura 26 se muestra el diagrama de la simulación en Proteus del

subsistema, en este caso se utilizaron unos botones para controlar el sentido de giro de los

motores, dichas señales serán controladas posteriormente por el PSoC.


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Figura 26 Circuito de Control de Giro de los Motores del Robot

Al dejar presionado únicamente el botón Giro 1, el motor girará hacia atrás, mientras que cuando

se deje presionado solo el botón Giro2, lo hará hacia delante. En caso de que ambos botones sean

dejados en el mismo estado, el motor irá reduciendo su velocidad hasta llegar a un paro total. En

las siguientes dos figuras se muestran los resultados de la simulación para los dos primeros casos.

Figura 27 Simulación del Circuito de Control de Giro, Sentido de Giro hacia atrás


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Figura 28 Simulación del Circuito de Control de Giro, Sentido de Giro hacia adelante

Detección de choque Para crear el cambio de sentido de movimiento del robot por medio de la detección de choque con

una pared del mismo, se usará un final de carrera, el cual fue simulado en Proteus como un

Switch de enclavamiento, que se cierra al detectar otro cuerpo, generando una caída de voltaje en

la resistencia R_FC; por otro lado, cuando no detecta cuerpo alguno, el circuito está abierto, por

lo que el voltaje presente en la resistencia es de 0V. Los resultados de la simulación se pueden

observar en la figura 29.

Figura 29 Simulación del Circuito de Detección de Choque, al detectar un cuerpo y no detectar cuerpo alguno

Detección de aplauso Para detectar un aplauso y así cambiar el sentido del avance del robot se utilizará un micrófono

electret como transductor, que funciona con un capacitor, y un transistor que amplifica la señal de

voltaje de dicho capacitor.

Cuando se escucha un aplauso el transistor se satura y el voltaje en la base se cae repentinamente,

generando un pico en el colector con el cual se registrará un cambio de estado en el

microcontrolador.

Al igual que en los subsistemas anteriores, se optó por simular el circuito con un switch en lugar

del transductor.


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Figura 30 Simulación del Circuito de Detección de Aplauso del Robot

Los resultados de la simulación al pensar que se detecta un sonido son instantáneos y difíciles de

capturar, sin embargo, existen.

Pausa del movimiento Para hacer un paro momentáneo del robot, se usará un sensor óptico de detección infrarroja, el

cual indicará si hay una “mano” sobre el robot. Para el circuito se tiene pensado utilizar un sensor

CNY70, sin embargo, al no estar este componente en Proteus se hizo un sistema análogo, usando

de nuevo un switch y en este caso un optoacoplador. Como se ve en la figura 31, al detectar la

presencia de una mano, el circuito del diodo se cierra provocando que el del transistor también lo

haga y que en la resistencia de carga se presente una caída de voltaje, si no se detecta la presencia

de una mano, sucede lo contrario, provocando que en la resistencia de carga no exista una

diferencia de potencial

Figura 31 Simulación del circuito de paro del Robot al detectar y al no detectar la presencia de una mano