CAPÍTULO III. DESARROLLO DE LA PROPUESTA
3.6. Conclusiones Parciales del Capítulo III
• Se aplicó las metodología de investigación y la metodología de construcción y diseño de robots autónomos y se constató su validez experimental con lo que se concluye que la actual propuesta es válida para aplicarse como complemento de la enseñanza-aprendizaje de robótica en Uniandes.
• Se implementó la construcción de los robots y se concluyó que su funcionamiento es el adecuado y mediante la vía de expertos se constató de que es técnicamente y económicamente viable para ser aplicado en una institución educativa.
• Se concluye que brindando de los procesos de construcción y de adquisición de materiales se influye favorablemente en la acogida de los proyectos de robótica tanto de carácter personal como institucional.
• Las respuestas en base a estímulos captados por los sensores y la funcionalidad del robot en base a los parámetros programados en la placa arduino son los esperados.
• Se concluye, según la información recabada en la validación por la vía de expertos que el presente tema de estudio tiene validez para la enseñanza de robótica y por tanto influye en la formación integral del futuro ingeniero de Uniandes.
CONCLUSIONES GENERALES
• A través del planteamiento del origen y evolución del objeto de investigación, se logró ampliar e identificar conocimientos más específicos acerca del objeto a investigarse y cuales podrían presentarse como limitaciones, lo que facilitó en gran parte el enfocarse directamente con el tema propuesto y el campo de acción correspondiente; en este caso el área de investigación dentro de la robótica aplicada a nuestro contexto de institución educativa es el proceso de enseñanza aprendizaje de la materia.
• Con la elaboración del marco metodológico, se logró obtener un conocimiento más detallado de las herramientas investigativas a utilizarse y cuales serían las más adecuadas de acuerdo a la investigación; de igual manera contribuyó en gran parte, el interactuar con los estudiantes encuestados, para la identificación de necesidades y fundamentar la justificación de la presente investigación.
• Se verificó la utilidad de la actual metodología de diseño lo que permitió la utilización de materiales alternativos para ser usados en proyectos de robótica lo cual influye positivamente en la decisión de comenzar proyectos; así mismo la apertura para estudiar las partes internas del robot, modificar la la disposición de las mismas y la capacidad para adaptarlo a otras funcionalidades genera más interés en el estudiante lo que resultó económicamente y técnicamente más viable que un robot cerrado y de funcionalidad fija.
RECOMENDACIONES GENERALES
Se recomienda al estudiante de Uniandes interesado:
• Indagar en los fundamentos teóricos, para que si el estudiante participa en un proyecto como el propuesto, tenga conocimiento del cómo y por qué de los procedimientos y no se limite solo a copiar los pasos que se presentan.
• Antes de embarcarse en un proyecto el estudiante debe asegúrese de tener claro la metodología a emplear, tenga muy en cuenta el alcance que quiere dar a las funcionalidades del robot y oriéntese al aprendizaje, si su proyecto es ambicioso y carece del fundamento teórico, metodológico y no tiene experiencia es más probable que su proyecto fracase.
• Una vez concluido el desarrollo del robot y desarrolladas la encuestas se recomienda que los proyectos de robótica creados por los estudiantes sean abiertos, y se dejen a la vista las partes constitutivas del robot para que pueda ser usado como modelo a futuro, esto en base a los criterios compartidos por la validación por la vía de expertos.
Bibliografía.
Ollero Aníbal, (2005), “Robótica Manipuladores y Robots Móviles”, Editorial Marcombo S.A., 1era Edición, Barcelona.
Raya Cristóbal, Angulo Cecilio, (2006), “Tecnología de sistemas de control”, Editorial UPC, 1era edición, Barcelona.
Craig John, (2005), “Robótica”, Editorial Prentice Hall, 3era Edición, España.
Poratti Gustavo, (2010), “Los próximos 500 años”, Editorial Red Universitaria”, 1era Edición, Argentina y España.
Bermejo Sergi, (2005), “Desarrollo de Robots basados en el Comportamiento”, Editorial UPC, 1era Edición, España.
Pallás Ramón, (2005), “Sensores y Acondicionadores de señal”, Editorial Marcombo S.A., 4ta Edición, Barcelona.
Serna Antonio, Ros Francisco, Rico Juan, (2010), “Guía Práctica de Sensores”, Editorial Copyright, S.L., 1era Edición, España.
Sobrevila Marcelo, Sobrevila Alejandro, (2005), “Sensores Eléctricos” Editorial Alsina, 1era Edición, España.
Argos, (2007), Aplicaciones de la Robótica,
http://www.argos.edu.uy/alumnos/2007/robotica/Aplicaciones.htm
Belu, (2007),Historia de la Robótica, http://robotiica.blogspot.com/2007/10/historia-de-la- robtica.html
Buenas tareas, (2011), Origen de la Robótica,
http://www.buenastareas.com/ensayos/Origen-De-La-Robotica/1479669.html
Conceptos, (2009), Ciencias Naturales, http://deconceptos.com/ciencias- naturales/mecanica
Chong, Marisol, (2009), Robótica e inteligencia Artificial, editorial El Cid Editor, segunda edición, 2009 Argentina.
Duarte, Pilar, (2011), Sensores,
http://pilarduartetecnologia.blogspot.com/2011/08/sensores-concepto.html
Frida, (2009), Orígenes de la Robótica, http://informaticafrida.blogspot.com/2009/03/origenes-de-la-robotica.html
Hoyos, ,(2008), Características de la Inteligencia Artificial http://inteligenciaartificialudb.blogspot.com/2008/01/concepto-caractersticas-y-
Anexos
Anexo 1. Robot Ensamblado
Ubuntu, el robot que sigue la luz, es un simple robot cuyo cuerpo ha sido construido alrededor de un bredboard pequeño. El cerebro de Ubuntu es un Arduino Nano, tiene dos fotoresistencias como parte de un divisor de voltaje para poder detectar la luz ambiente.
Fuente: Investigación de campo; Autor Diego Rosales
Linus, el robot que evita obstáculos, su propósito es manejar sin chocar con objetos, con sus “ojos” y matemática básica puede determinar cuan lejos está un objeto, si está muy cerca, maniobrará para encontrar una mejor ruta.
Anexo 3. Manual de Usuario Arduino Uno:
El Arduino Uno es una placa electronica basada en el microprocesador Atmega328. Cuenta con 14 pines digitales de entrada / salida (de los cuales 6 pueden ser utilizados como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un resonador cerámico 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un header ICSP, y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario funcionar; basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB, o alimentarla con un adaptador o batería.
Arduino Nano:
La Arduino nano es pequeña, completa y fácilmente instalable en un breadboard, basada en Atmega328. Tiene más o menos la misma funcionalidad de la Arduino Duemilanove, pero en diferente presentación. No cuenta con puerto de alimentación DC pero trabaja con un cable mini-USB tipo B en vez del cable de datos para impresora estándar.
Servomotor:
Fuente: Duino-Robotics; Autor: Chicken Parmi
Un servomotor es un actuador giratorio que brinda un preciso control de la posición, velocidad y aceleración angular. Consiste de un motor dc conectado a un sensor de movimiento. También requiere de un controlador sofisticado, en nuestro caso la arduino nano. Cabe mencionar que los servomotores usados en nuestro proyecto han sido alterados para permitir una rotación continua.
Controlador de motor L293D:
El chip L293D son controladores cuádruples de alta corriente de media-H. El L293D está diseñado para proporcionar corrientes de excitación bidireccional de hasta 600-mA a voltajes de 4,5 V a 36 V. Este dispositivo está diseñado para manejar cargas inductivas, como relés, solenoides y motores bipolares, así como otras cargas de alta tensión o voltaje. Breadboard:
Fuente: Investigación de Campo; Autor: Diego Rosales
Fuente: Investigación de Campo: Autor: Diego Rosales
Un breadboard (o protoboard) es por lo general una base para el prototipado de electrónica. El término bredboard es usado comúnmente para referirse al bredboard que no necesita soldadura (plugboard). Dado que no es necesario soldar puede ser rehusado, por lo que es ideal para crear prototipos temporales y para experimentar con diseño de circuitos.
Fotoresistencias:
Las fotoresistencias son resistencias cuyo valor cambia en función de la cantidad de luz ambiental, pero el problema se reduce a cómo se puede detectar la luz, con arduino realmente no se puede, sin embargo, puede detectar los niveles de tensión usando las clavijas analógicas, que pueden medir (en el uso básico) entre 0-5V. De aquí para convertir los valores de resistencia en cambio de voltaje es necesario hacer un divisor de tensión. Un divisor de tensión toma una tensión de entrada y la transforma en una fracción de tensión como salida, la cual es proporcional a la tensión de entrada y la relación de los dos valores de las resistencias utilizadas. La ecuación para esto es:
Prototyping Shield:
Voltajede salida=voltaje de entrada× R2
R1+R2
donde R1es el valor de la primeraresistencia
y R2es el valor de la segunda
Fotoresistencias de 10 KOhm
Fuente: Investigación de Campo; Autor: Diego Rosales
La Arduino ProtoShield hace sencillo diseñar circuitos personalizados. Se puede soldar directamente a la placa o se puede usar un bredboard pequeño como se hace en el linus. Tiene conexiones extras para todas las salidas y entradas de los pines de Arduino y tiene espacio para montar otros circuitos integrados.
Sensor HC-SR04:
El sensor ultrasónico HC-SR04 utiliza el sonar para determinar la distancia a un objeto como los murciélagos o los delfines. Ofrece una excelente detección de distancia con alta precisión y con lecturas estables. Detecta desde 2cm a 400 cm. Las operaciones no se ven afectadas por la luz solar o material negro(aunque los materiales como la tela pueden ser difíciles de detectar). Se complementa con emisor de ultrasonidos y módulo receptor. Ubuntu, el robot que sigue la luz
Cableado de las fotoresistencias.
Divisor de voltaje
Fuente: Investigación de Campo; Autor: Diego Rosales
Cableado del servomotor.
Los dos diagramas mostrados permiten armar toda la cicuitería de Ubuntu.
La matemática detrás de la construcción de Ubuntu:
Resulta de especial importancia el tema presente pues sirve como una base para muchos otros proyectos de robótica. Se pretende saber el valor de la resistencia que debe tener las fotoresistencias. En el caso presente el valor de las fotoresistencias es de 200-10 Kohm, pero este valor varía, es por eso que para un caso particular se debe consultar la documentación previamente.
En este caso R1 es nuestra fotoresistencia, revisando nuevamente la ecuación que se menciona en el apartado “fotoresistencias” tenemos:
Ahora se debe conocer el voltaje:
El voltaje de entrada es 5V, pues es el que da arduino.
Ahora se desea conocer el vaoltaje de salida cuando el brillo de luz es máximo:
Estos son los valores del voltaje que vamos a recibor de los puertos analógicos de la placa arduino, pero estos no son los valores que veremos en el código fuente del programa, debido a que arduino usa un chip análogo a digital. A diferencia de los pines arduino que
Voltajede salida=voltaje de entrada× R2
R1+R2
=5× 10000
200000/10000≈0,24V
Voltaje de salida=voltajede entrada× R2
R1+R2=5×
10000
10000/10000=2,5V 200KΩ=200000Ω
10KΩ=10000Ω
y convertir el valor a un rango entre 0 y 1023.
A continuación se calcula el verdader valor que lee arduino. Dado que el valor se corresponde a una función linear podemos usar la fórmula siguiente:
Y=mX+C ; donde Y: Valor Digital
m: pendiente (razón entre el valor digital y el análogo) C: intercepto en el eje de las Y
Si la intercepción es 0, se tiene:
Para los valores obtenidos de 0,24 y 2,5 V se tiene:
Con estos dos valores se pueden establecer en dos pines análogos dos variables enteras para almacenar sus valores y hacer comparaciones para ver cual tiene el valor más bajo con lo cual se gira el robot en esa dirección.
Linus, el robot que evita obstáculos.
Se puede comenzar haciendo bocetos de la forma final que se le quiere dar al robot. El boceto puede pasarse a una pieza de acrílico con un lápiz, también es útil marcar la ubicación del microservo para posteriormente cortar un hueco.
La placa arduino puede ser acoplada al cuerpo del robot usando cinta de doble faz o tornillos y tuercas, por lo que es necesario marcar donde están los huecos para montar la
Y=mX=204,6×0,24≈49
Y=mX=204,6×2,5≈51
Y=mX=204,6×valor análogo
placa arduino en la lámina. Ahora se puede proceder a cortar la lámina con la ayuda de una cortadora.
Ahora es necesario usar una regla en L para que sostenga el sensor HC-SR04 para lo cual es necesario marcar y cortar la regla de aluminio a un tamaño apropiado.
Pegar el cuerno del microservo al aluminio usando silicona, hacer un hueco en la regla para unir la cara frontal a la regla.
Fuente Investigación de Campo; Autor: Diego Rosales
Ahora es necesario ensamblar las ruedas. En nuestro caso uso 2 motores DC con su conjunto de engranes, alternativamente se puede usar un juego de ruedas Tamiya o servos de rotación continua. En el caso de usar servos de rotación continua no será necesario el controlador de motor L293D. Se puede usar cinta de doble faz para pegar los motores al cuerpo del robot. A continuación, dado que el robot no se puede balancear en dos ruedas, será necesario añadir un soporte posterior, en este caso se usó una bola de plástico cortada en la mitad y una pieza de madera.
Posteriormente se procede a pegar la placa arduino al cuerpo del robot y a colocar el ProtoShield sobre la arduino. Luego se inserta el controlador de motor L293D en el mini bredboard con la muesca apuntando al frente del robot.
El lado izquierdo del controlador del motor controla el motor izquierdo y el lado derecho el motor derecho. Primero hay que conectar el voltaje del chip y los capacitores del motor al pin arduino de 5V. Para ahorrar espacio en el ProtoShield se ha conectado líneas y luego éstas son conectadas al pind de 5V, de esta manera solo se usa un cable para conectar el riel.
A continuación todos los contactos de tierra se conectan juntos al pin correspondiente de arduino. Los pines izquierdos del motor se conectan a los pines 5 y 6 de la placa y los pines del motor derecho se conectan a los pines 8 y 9.
Dado que no se dispone de un switch a mano se conectó las líneas de voltaje de la batería desde la placa arduino a la bredboard.
Conectamos la tierra de la batería a tierra de la arduino. Para encender y apagar el robot se tendrá que conectar y desconectar el voltaje de la batería al pin Vin en la arduino.
Luego se conectan los cables que vienen incluidos en el sensor HC-SR04. El ping Trigger va al pin 3 arduino, el pin Echo va al ping 2 arduino, también será necesario conectar el microservo a la arduino, para esto hay que conectar el voltaje en el servo al riel de 5V de la arduino y la tierra al riel de tierra y el pin de señal al pin 4 de la arduino.
Por último, se puede usar un paquete de baterías de 4,8V. El voltaje se conecta al voltaje del motor en el controlador de motor L293D y la tierra al riel de tierra de arduino. Se conecta la batería de 9V a la arduino para encender el robot.
Una vez que los robots han sido ensamblados se procede a su programación, en este caso se usa el entorno de desarrollo integrado Arduino IDE, el cual ofrece una interfaz gráfica para la programación de las placas arduino, lo cual se explica a continuación:
El entorno de desarrollo Arduino (Arduino IDE)
El entorno de desarrollo Arduino contiene un editor de texto para la escritura de código, un área de mensajes, una consola de texto, una barra de herramientas con botones para funciones comunes, y una serie de menús. Se conecta con el hardware Arduino para cargar programas y comunicarse con ellos.
Escribiendo Sketches (bocetos)
Los programas escritos utilizando Arduino IDE se llaman bocetos. Estos bocetos se escriben en el editor de texto y se guardan con la extensión de archivo .ino. Tiene características para cortar/pegar y para buscar/reemplazar texto. El área de mensajes
proporciona información mientras se guarda y se exporta también muestra errores. La consola muestra la salida de texto por el entorno Arduino incluyendo mensajes de error completos y demás información. La esquina derecha inferior de la ventana muestra la placa actual y el puerto serial. Los botones de la barra de herramientas le permiten comprobar y cargar programas, crear, abrir y guardar dibujos, y abre el monitor serie.
Verifica errores en el código
Compila el código y lo sube a la arduino. Crea un nuevo sketch
Presenta un menú de todos los sketch en el libro de sketchs. Haciendo click en uno lo abrirá en la ventana actual.
Guarda el actual sketch. Abre el monitor serial.
Editor de Texto
Área de Mensajes Placa actual y puerto serial Barra de
Herramientas
Adicionalmente a estos comando se encuentran los menús: Archivo, Edición, Sketch, Herramientas y Ayuda. Los menús son sensibles al contexto lo que significa que solo están disponibles los items que son relevantes al actual trabajo.
A continuación se presentan las líneas de código que son necesarias para dar las características de funcionamiento deseadas a los robots:
Código de Linus, el robot que evita obstáculos
En las líneas de código anteriores se puede ver cómo se asigna un comportamiento ante un estímulo que es realizado cuando el robot verifica como cumplidas todas las condiciones necesarias.
Seguridades requeridas.
• La manipulación de las piezas electrónicas se las debe hacer con cuidado, siempre descargando las cargas electrostáticas del cuerpo tocando un objeto metálico.
• No se debe usar voltajes más altos que los mencionados en las especificaciones de las piezas electrónicas.
• Asegurarse de que la placa arduino y los motores tienen fuentes de voltaje distintas para evitar el mal funcionamiento o las fallas permanente de la placa.
• Conectar los pines de la placa arduino como se recomienda, un error en la conexión de los pines puede provocar que la placa se queme.
• No desconectar ni interrumpir la subida del programa desde el entorno de programación a la placa arduino, se puede provocar daños irreversibles al computador o a la placa.
• Trabajar en superficies planas, limpias y usar herramientas adecuadas. Rutinas de Mantenimiento.
• Mantener al robot lejos de la humedad o el polvo.
• Constatar la correcta conexión de los cables antes del encendido.
• Antes de encender constatar que las fuentes de poder están entregando el voltaje requerido con la ayuda de un multímetro.
Anexo 5. Manual Técnico. Esquema de la placa Arduino
Mirando a la placa desde la parte de arriba, este es el esquema de lo que puedes ver (los componentes de la placa con los que puedes interactuar en su uso normal están resaltados)
Empezando según las agujas del reloj: Terminal de referencia analógica (naranja) Tierra digital (verde claro)
Terminales digitales 2-13 (verde)
Terminales digitales 0-1/ E/S serie - TX/RX (verde oscuro) - Estos pines no se pueden utilizar como e/s digitales (digitalRead() y digitalWrite()) si estás utilizando comunicación serie (por ejemplo Serial.begin).
Botón de reinicio - S1 (azul oscuro)
Programador serie en circuito "In-circuit Serial Programmer" o "ICSP" (azul celeste) Terminales de entrada analógica 0-5 (azul claro)