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robot móvil con Arduino para resolver laberintos
Tipo: Apuntes
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Universidad: Universidad politécnica de Valencia
Denominación escuela : EPSA
Tutor: Jaime Masiá Vaño
Convocatoria de defensa : Alcoy, Julio 2018
-Título: Diseño de robot móvil con arduino para resolver laberintos.
-Title: Design a mobile robot to solve labyrinths with arduino
-Resumen español: La finalidad del siguiente trabajo de fin de grado es el diseño de un robot móvil para la resolución de laberintos con arduino. Para ello se realizara el diseño de chasis y ensamblaje a través de solidworks, la programación de dicho robot será a través del lenguaje de programación arduinoblocks, y por último se realizara una selección de materiales para el chasis y los posibles métodos de fabricación del mismo.
-English summary: The goal of this final work degree is to design a mobile robot for solving labyrinths with arduino. For this purpose, chassis and assembly will be design with software solidworks, the programing will be done with arduinoblocks language, and finally materials selection will be made as well as manufacturing methods.
-Palabras clave español: robot, diseño, arduino, solidworks, chasis.
-English key words: robot, desing, arduino, solidworks, chassis.
D. Desiderio Rico Diez
Prof. D. Jaime Masiá Vañó
Alcoy, Julio 2018
Índice:
2.1 Consideraciones a tener en cuenta antes del diseño 2.1.1 Normativa competición 2.1.2 Elementos mecánicos y electrónicos 2.2 Diseño chasis 2.2.1 Predisposición estructural y de tracción 2.2.2 Diseño CAD 2.2.3 Ensamblaje
3.1 Electrónica del robot 3.1.1 Construcción y diseño 3.2 Programación
4.1 Criterios para la selección de materiales y procesos de fabricación 4.2 Selección método de fabricación 4.3 Selección de materiales
7.1 Anexo 1 7.2 Anexo 2 7.3 Anexo 3 7.4 Anexo 4
La robótica es una disciplina la cual está conformada por diversas ramas de ingeniería como puede ser ingeniería electrónica mecánica o informática entre otras. El documento desarrollado
a continuación trata sobre el diseño de un robot de laberinto o robot de micromouse. Este tipo de robot se ha popularizado gracias a los diversos concursos de robótica tanto a nivel nacional
como internacionales. Para el diseño de dicho robot se tomara como base un Arduino uno el cual servirá como hardware para poder conectar todos los dispositivos (sensores, motores, etc.),
Arduino se enfoca en acercar y facilitar el uso de la electrónica y programación en proyectos multidisciplinarios por ello resulta un sistema muy útil para la realización de este tipo de robots.
Empezamos el desarrollo de este proyecto realizando el diseño estructural de dicho robot, el
cual servirá de bastidor para incorporar todos los componentes y en el cual se buscara optimizar lo máximo posible las dimensiones del robot. Obviamente necesitaremos algún método para
salir del laberinto, esto lo abordaremos en el capítulo de electrónica y programación, en el cual se realizara un algoritmo básico para poder controlar el robot. A continuación se realizara una
selección de posibles métodos de fabricación y selección de materiales óptima y por último se realizara el presupuesto total que sería necesario para la fabricación de dicho robot.
para cumplir con las especificaciones de la competición. En este caso los elementos mecánicos
y electrónicos que se utilizaran serán:
-Arduino [3]
Como se mencionó anteriormente, esta placa de hardware libre se utilizara como la base del robot móvil, concretamente se utilizara la placa Arduino modelo uno, y encima de esta un
arduino motor shield, diseñado por el grupo de robótica Gromep, y el cual se explicara con más detalle en el capítulo de electrónica y programación.
A la hora del diseño es imprescindible conocer las dimensiones de esta placa, puesto que necesitaremos prever donde colocarlo y también tener en cuenta los elementos de sujeción de
dicho aparato. Por lo tanto, podemos observar las dimensiones en la siguiente imagen.
-Motores [4]
Como sistema motriz, se han seleccionado 2 servomotores de rotación continua de la marca parallax por su sencilla implementación con arduino. Las especificaciones técnicas de dicho
servomotor facilitadas por el proveedor son las siguientes:
Cuyas dimensiones estandarizadas podemos apreciar en la siguiente ilustración:
Ilustración 1 : Dimensiones Arduino Uno
Ilustración 2: Dimensiones Servomotor parallax
-Sensores. [5]
Los sensores que vamos a utilizar serán los fototransistores osram opto infrarrojo, los cuales nos permitirán captar la luz emitida por los diodos led que utilizaremos como emisores de luz. Esto nos permitirá obtener información de proximidad a las paredes del laberinto. Las dimensiones tanto de los fototransistores como de los diodos led están normalizadas, y son 5 mm de diámetro interior, 5,8 mm de diámetro exterior y 8.7 mm de longitud como se puede apreciar en la siguiente imagen.
Ilustración 3: dimensiones Fototransistor y diodo led
2.2 Diseño del chasis
2.2.1 Predisposición estructural y de tracción.
Una vez tenemos claras las limitaciones propias de los diferentes elementos del robot, así como las limitaciones por normativa del concurso nos dispondremos a diseñar el chasis, el cual tendrá principalmente una misión estructural, la cual aportara rigidez y forma a nuestro robot e irán ensamblados el resto de componentes del micromouse. A simple vista, puede parecer que cualquier estructura es válida, y que lo que realmente importa son los componentes internos del robot, pero es no es del todo cierto. Una mala elección puede hacer que se compliquen las cosas en un futuro, por ello, es conveniente utilizar parte del tiempo en pensar la forma que tendrá nuestro robot, así como donde colocaremos las partes de dicho robot.
En primer lugar, analizaremos la forma que tendrá el chasis, la misión principal de este robot será atravesar los pasillos de un laberinto con unas dimensiones preestablecidas. Imaginemos que realizamos una estructura rectangular, en esta predisposición nos encontramos principalmente con un problema, al girar, es posible que las esquinas del chasis choquen con las paredes del laberinto, dificultado la resolución del mismo.
Ahora pensemos en darle una forma redonda, en este caso el problema con las esquinas quedaría subsanado, pero al mismo tiempo esta predisposición podría provocar que se ensanchara más de la cuenta, por lo que habría espacio poco optimizado.
Por este motivo se ha decidido seleccionar una estructura mixta, basándonos en el robot mircomouse de alto rendimiento que encontraremos en la siguiente referencia [7], redondeando las esquinas, pero manteniendo un tamaño lo más optimizado posible.
Una vez elegida la forma seleccionaremos el tipo de tracción así como la posición de las ruedas.
Básicamente elegiremos el tipo de tracción en función del tipo de giro que proporcione. Existen muchos tipos de tracción, pero en nuestro caso solo nos va a interesar un tipo. Para un robot de laberintos, el cual es nuestro caso, podemos decir que lo más importante es la maniobrabilidad, y por este motivo utilizaremos una tracción diferencial, la cual nos permitirá realizar giros de 90º-180º sin ningún tipo de complicación. Para conseguir esta tracción se utilizara como ya se comentó anteriormente, 2 servomotores independientes, lo cual nos permitirá controlar cada rueda por separado.
Ahora pasaremos analizar la predisposición de las ruedas y ver donde deberían ir colocadas. En principio podemos pensar en una tracción tanto delantera como trasera, pero para el caso que nos ocupa debemos tener en cuenta cual será el eje de giro, si seleccionamos una posición como la mencionada anteriormente provocara que el robot no gire en torno a su centro, y podría hacer que colisione con el entorno. Por este motivo las ruedas se posicionaran en una zona lo más centradas posible y se colocaran 2 ruedas locas, una delante y otra detrás del robot para proporcionar estabilidad.
2.2.2 Diseño CAD
Teniendo en cuenta las disposiciones iniciales, nos dispondremos a realizar el diseño del chasis mediante un software de diseño en CAD, concretamente se utilizara solidworks, el cual nos permitirá realizar un modelo 3D con todo tipo de medidas. Con ello conseguimos saber las dimensiones y distribución que tendrá nuestro robot antes de construirlo físicamente. La estructura del robot consistirá en 3 piezas diferenciadas, las cuales formaran el ensamblaje final con el resto de componentes, para así construir finalmente el micromouse.
-Parte 1
Esta será la parte de mayor volumen, y servirá como base para ensamblar en ella el resto de componentes. En esa pieza se acoplaran los sensores, los cuales se dispondrán en cuatro orificios, dos en dirección frontal para comprobar la distancia de una posible pared en frente y otros dos que se dispondrán a cuarenta cinco grados para poder medir la distancia con las paredes laterales del laberinto. Así mismo, en esta pieza irán atornillados los servomotores mediante cuatro tornillos de métrica 3 (M3) y las 2 ruedas locas que se atornillaran a la base con tornillos métrica 2 (M2). En la parte trasera habrá una guía por la cual se acoplaran el resto de piezas sobre esta estructura, así como un tornillo frontal y dos laterales, ambos de métrica 3 (M3) que servirán para fijar el robot. Observando la ilustración 5 podemos obtener una idea general respecto a esta pieza, sin embargo, todos los detalles al respecto se podrán encontrar en el anexo 1, el cual hace referencia al plano de dicha pieza.
Ilustración 5: Modelado 3D pieza 1
-Parte 2
Esta segunda pieza servirá principalmente para anclar en ella el arduino, y además también será donde ira sujeta la batería. Haciendo esto reduciremos significativamente el ancho de nuestro robot, ya que optimizaremos el espacio utilizado en la pieza 1 al no tener que dejar hueco en ella para la batería. Para anclar el arduino se han realizado los 4 agujeros propios para atornillarlo por cuatro tornillos de métrica 3,5 (M3, 5) en la parte superior de la pieza. Para la batería se ha propuesto realizar 2 ranuras por las que pasara una cinta la cual servirá de amarre, además de unas paredes laterales que evitaran movimientos indeseados dentro del robot móvil. Por último, cabe destacar la necesidad de una ranura en la parte trasera, que servirá para
-Rueda
Por último, se diseñaran las ruedas. Al diseñarlas nosotros mismos podremos calibrar mejor la altura y el ancho del robot, así como la velocidad a la que se podrá desplazar nuestro robot. La rueda tiene un diámetro de 56,4 mm en la parte central dispondrá de una guía a la que acoplaremos una goma que hará la función de neumático para que agarre bien en la superficie del laberinto. Además se dispondrá una cruceta para poder atornillar la rueda al servomotor. Para más detalles se podrá consultar las dimensiones en el anexo 4, en el cual se podrán contemplar todas más medidas relevantes.
Ilustración 8: Ruedas del micromouse
A pesar de que en este caso no buscamos una velocidad de desplazamiento elevada, podemos calcular la velocidad máxima a la que podrá desplazarse nuestro robot con una sencilla formula. Conocemos el diámetro de las ruedas (56,4 mm), así como la velocidad máxima de los servomotores (50 rpm), con estos datos bastara con calcular la longitud de la circunferencia y multiplicarlo por el número de vueltas por minuto del servo, obteniendo un resultado de:
2.2.3 Ensamblaje
Finalizando el capítulo del diseño haremos mención al orden de ensamblaje, pues es importante tener este orden en cuenta para evitar problemas a la hora de montar nuestro robot. Partiremos de la pieza 1 que como ya se dijo anteriormente servirá de base, a partir de aquí se propone el siguiente orden de montaje:
Siendo: V= velocidad D=Diámetro N=número de vueltas por minuto
𝑉 = 𝜋 ∗56, 4*50 = 8859.29 mm/s
O lo que es lo mismo
V = 14, 76 m/s
Una vez tengamos estos elementos ensamblados, pasaremos a montar los elementos que irán sobre la pieza 2:
Ilustración 9: Ensamblaje terminado robot móvil
Paso 1: puede y resistencias
Empezaremos soldando los componentes más pequeños, las resistencias y el puente tal como indica las ilustraciones 11 y 12_._ El puente se podrá realizar, por ejemplo, cortando parte de los extremos de alguna resistencia que nos sobre al colocarla.
Ilustración 11: Ejemplo de soldadura
Ilustración 12: Resistencias y puente
Puente
Resistencia 220 Ω (R3)
Resistencia 220 Ω (R4)
Seguidamente insertaremos los 2 pulsadores tal como indica la ilustración 13
Ilustración 13: Pulsadores
A continuación, procederemos a soldar los dos condensadores de 100nF (ilustración 14).
Ilustración 14: Condensadores 100 nanofaradios
En el siguiente paso insertaremos la tira de pines macho (dividida en dos o tres pines según indica la ilustración 15 ) y los LEDS, estos últimos teniendo especial cuidado ya que tienen polarización, por lo cual se deben colocar de una manera específica. Para diferenciarlos, la pata corta del LED (y también un chafado) se corresponde con el ánodo, polo positivo, y la corta con el cátodo, el polo negativo.
Condensador 100nF (C3)
Condensador 100nF (C1)
Pulsador 1 (SW1)
Pulsador 2 (SW2)
Ilustración 17: Potenciometro y disipadores de calor
Seguidamente, primero se coloca el Bluetooth y luego el ultrasonido como aparece en las ilustraciones 18 y 19_._ Se recomienda colocar cinta aislante alrededor del Bluetooth para aislarlo, tal como se muestra en la ilustración 19.
Ilustración 18: ultrasonico
Ilustración 19: Bluetooth
Regulador de tensión y potenciómetro
Condensadores
Ultrasonido
Bluetooth
Vamos a instalar el controlador en la parte superior de la PCB, guiarse de la posición por la imagen de la ilustración 20
Ilustración 20 Montaje arduino y la placa
La batería va conectada al Jack de la forma en que se muestra en la ilustración 21. Los motores van conectados también de la forma indicada en dicha imagen.
Ilustración 21: motores y bateria conectados
