3er. Encuentro de Jóvenes en la Investigación de Bachillerato-CONACYT Acapulco, Guerrero 22-24 de Septiembre 2016
Memorias
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Prototipo de robot recolector de objetos
Rosa Elia Samano Villegas (Becaria) rosandygcs@gmail.com
Unidad Académica Preparatoria (Sistema Abierto) Universidad Autónoma de Guerrero.
Carlos Eymard Zamacona López (Asesor) Estudiante de la Maestría en Ingeniería
para la Innovación y Desarrollo Tecnológico (MIIDT), UAGro. cezamacona@uagro.mx
Dr. Antonio Alarcón Paredes (Asesor) Profesor-investigador de la Maestría en Ingeniería para la Innovación y Desarrollo Tecnológico (MIIDT), UAGro.
aalarcon@uagro.mx
Introducción
El presente proyecto de investigación se refiere al desarrollo de un prototipo de robot recolector de objetos; un robot de este tipo puede tener diferentes campos de aplicación: desde apoyar en las tareas domésticas de limpieza, ayudar a ordenar alguna habitación, recolección automática de botes de basura en una comunidad, o inclusive para apoyar en situaciones de desastre donde se necesite remover escombro o escarbar para el rescate de personas.
Actualmente, existe una gran variedad de robots de tipo comercial e industrial que permiten realizar diferentes tareas con mayor precisión que los humanos, y a la postre, con un menor costo. Además de que es posible utilizar dichos robots en tareas que resulten peligrosas, sucias y/o tediosas para los humanos, como la búsqueda y rescate de personas, o como para localizar bombas en zonas de guerra o en las ciudades; es por ello que consideramos que este tema merece ser investigado. El interés por este tema se fundamenta fuertemente en la idea de desarrollar un prototipo de robot que permita irse actualizando y que en un futuro pueda ser mejorado y ampliado para apoyar en tareas de rescate ante situaciones de desastres.
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Este trabajo se divide en tres fases. La fase 1 versa sobre el diseño e impresión 3D de las piezas del robot y su ensamblaje. La segunda fase trata sobre la interconexión de componentes electrónicos en el microcontrolador. Finalmente, la tercera fase incluye la programación tanto de la parte electrónica y del mando a distancia del prototipo.
Objetivos
Objetivo general:
Diseñar e implementar un sistema robótico que sea manipulado a distancia y que permita recolectar objetos de diversa índole.
Objetivos específicos:
Diseñar las piezas del robot en un ambiente de diseño 3D como Solid Works, y armarlo. Interconectar los componentes electrónicos e incluirlos en el cuerpo del robot para probar
su funcionamiento.
Desarrollar un sistema de mando en Android Studio para la movilidad del robot y que le permita desplazarse.
Delimitación del problema:
En este proyecto se pretende diseñar un prototipo de un robot capaz de desplazarse en las direcciones que se le indique, y que sea capaz de recolectar objetos de diversos tipos.
Materiales
Arduino UNO: Arduino es una compañía de hardware libre, que manufactura microcontroladores programables en un entorno de desarrollo (Banzi, Cuartielles, Igoe, Martino, & Mellis, 2005).
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DRIVER L293D: Es un circuito que hace las funciones "intermedias" entre dos circuitos, controla otro circuito u otros componentes, regula la corriente que fluye a través de un circuito.
Figura 2. Driver L293D
BLUETOOTH HC-06: Permite transferir datos de forma inalámbrica de punto a punto. Funciona en la banda de 2.4 GHz y tiene un alcance de 10 metros, consume de 3.3V a 5V, posee un chip BC417143 y tiene una velocidad de transferencia de datos de 1200bps a 1.3Mbps.
Figura 3. Shield Bluetooth HC-06
PILA DE 3.5 Y PILA 9V: Transforma la energía química de sus componentes en energía eléctrica.
Figura 4. Driver L293D
MOTORREDUCTOR: Es un conjunto de engranes que van acoplados a la flecha de un motor eléctrico y sirve para reducir el número de revoluciones por minuto (RPM) del motor pero a una velocidad constante.
Figura 5. Motorreductor
DRIVER PWM: Permite controlar hasta 2 motores de corriente continua o un motor paso a paso bipolar. El módulo permite controlar el sentido de giro y velocidad mediante señales TTL que se pueden obtener de microcontroladores, por ejemplo, desde Arduino.
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Figura 6. Driver PWM
Metodología
De acuerdo con lo descrito en (Ruiz-Velasco, 2007), las fases para realizar un robot, pueden definirse como sigue:
Mecánica: Rama de la física que estudia el movimiento de los cuerpos. Eléctrica: Qué tiene o comunica electricidad, o funciona por medio de ella.
Electrónica: Campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información, entre otros
Informática: Conjunto de técnicas y conocimientos científicos que permiten el tratamiento automático de la información mediante la utilización de computadores. De forma similar a lo antes expuesto, este trabajo se divide en las fases mencionadas en el párrafo introductorio de este documento.
Fase 1. Piezas y su ensamblaje físico
Es necesario revisar alguna documentación para adentrarse un poco en los conceptos básicos del software de diseño 3D SolidWorks, por ejemplo (Lombard, 2011; Xie & Shi, 2002), que es un programa de diseño asistido por computadora para modelado mecánico, desarrollado en la actualidad por SolidWorks Corp., entorno donde se diseñarán digitalmente las piezas del robot, para su posterior impresión.
Aquí se procede con el diseño 3D de las piezas que conformarán la pala y la tapa donde se incrustará el motor del robot y una base, como se muestra en las figuras siguientes.
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2x 2x
a) b) c)
Figura 7. Piezas para ensamblar la pala
Figura 8. Base para motor
La Figura 7 hace referencia a las piezas que se utilizarán para ensamblar la pala para recolectar objetos, las piezas marcadas con b) y c) se imprimen doble ya que irán a cada lado de la pala marcada con el inciso a) en la Figura 7. Estas piezas se envían a imprimir en la Impresora 3D de la marca Da Vinci 1.0 3D printer assembled i75 (XYZ Printing, 2014), mostrada en la Figura 9. Dicho dispositivo es una máquina capaz de realizar réplicas de diseños en 3D, creando piezas o maquetas volumétricas a partir de un diseño digital, creado con un software asistido por computadora u obtenido a partir de un escáner 3D.
Figura 9. Impresora 3D DaVinci 1.0
Para comenzar a dar forma al robot, se reutilizó un carrito de juguete que se había utilizado para otro proyecto, readaptándolo conforme a las necesidades de este proyecto; es muy importante tomar en cuenta el reciclaje de piezas y componentes electrónicos y de todo tipo para así contribuir a no contaminar el ambiente.
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A este carrito, se le agregó toda la parte de adelante, es decir, la pala, además. Solo en la parte trasera ya estaba armado. Una vez impresas las piezas se ensamblan en el carrito a reciclar, para quedar de la siguiente forma (ver Figura 10 y Figura 11).
Figura 10. Barras laterales de pala y base. Figura 11. Ensamblado de pala y tapa de motor.
Fase 2. Interconexión de componentes eléctricos y electrónicos
Es necesario revisar alguna documentación para adentrarse un poco en los conceptos básicos de conexión de Arduino con el driver L293D para regular la corriente que fluye a través del circuito, y con el bluetooth HC-06 para poder tener control sobre el robot. Una vez conectado lo anterior, se hizo la prueba de funcionamiento de los motores del carrito pero no levantaron la pala, además de que cada motor se movia en diferente tiempo, fue entonces que se decidió utilizar el motorreductor antes mencionado. Éste se alimenta de energía eléctrica por medio de la pila de 3.5V ya que la de 9V es demasiado y provoca resultados no deseados en los movimientos. La pila de 9V alimenta al componente bluetooth y al Arduino.
a)
b) c)
Figura 12. a) Ensamble componentes b) Motorreductor c) Vista superior
Para el control de movimiento de las llantas traseras se utilizo el driver PWM porque permite controlar hasta 2 motorreductores de corriente continua, y el módulo permite controlar el sentido de giro y velocidad mediante señales TTL por medio de Arduino, tambien lleva su propia pila. Estas conexiones ya estaban armadas en el carrito, como se habia mencionado
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anteriormente, se utilizaron para reutilizar componentes ya desarrollados, como se muestra a continuación.
a) b)
c) Figura 13. Ubicación del driver para control PWM en llantas
Fase 3. Programación de dispositivos
Para la realización de esta fase, es necesario utilizar dos entornos de programación. Por una parte es necesario utilizar el entorno de programación de Arduino en su versión 1.6.11 (Figura 14), y por otro lado, programar un dispositivo Android (ya sea un teléfono inteligente o tableta), por medio del entorno de programación denominado Android Studio (Google, 2014), que está basado en el software IntelliJ IDEA de JetBrains, se distribuye de forma gratuita a través de la Licencia Apache 2.0 y está disponible para Microsoft Windows, Mac OS y GNU/Linux.
Aquí, la programación en ambas plataformas debe comunicar al Arduino y al dispositivo Android mediante comunicación bluetooth. El celular o tableta posee una aplicación que sirve como panel de control del prototipo de robot, y puede indicar en qué dirección debe moverse, así como avisar el momento en el que se desea mover la pala. Las órdenes que el usuario dé mediante el celular, son enviadas por bluetooth a Arduino, donde son interpretadas por este microcontrolador con la finalidad de saber qué motores mover y con qué parámetros.
De esta forma, el ambiente de programación en Android puede verse como se muestra en la Figura 14, mientras que también se presentan capturas de pantalla de la interfaz gráfica de la tableta y una parte del código para enviar las órdenes mediante el dispositivo Android en la Figura 15 y Figura 16.
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Figura 14. Entorno de programación Arduino
820 Resultados
Al finalizar la primera fase del proyecto que fue la etapa en la que se crearon e imprimieron las piezas, se armó la pala y se colocaron los motores en su base. Tras la interconexión de componentes electrónicos, se realizó un primer montaje del robot recolector de objetos, donde descubrimos que los motores no funcionaban como se esperaba debido a que se reutilizaron motores (diferentes) y cada uno de ellos giraba en diferente tiempo, por lo que fue necesario utilizar un motorreductor para sincronizarlos. Con esto se produjeron cambios en el montaje y de esta forma se pudo solucionar el problema. Así se pudo llegar a la siguiente fase.
Posteriormente, se decidió incluir en el proyecto el bluetooth como la forma de comunicación entre el dispositivo que controla el robot y el carrito, con la finalidad de que el carrito pueda moverse en diferentes direcciones, así como para que la pala pueda moverse de arriba hacia abajo (ver Figura 17 y Figura 18). El proyecto se encuentra en esta fase de implementación en donde se han obtenido avances en el diseño y se están llevando a cabo las pruebas de recolección de objetos y el desplazamiento del robot.
Figura 17. Prototipo en movimiento. Figura 18. Pala en movimiento.
Conclusiones
La idea que movió este trabajo desde el inicio fue la de crear un prototipo, motivada en conocer qué materiales pueden utilizarse para la construcción de un robot, de qué forma pueden comunicarse y cómo desarrollar el software para su movilidad y control; con lo desarrollado aquí, se puede decir que esta meta se logró aprendí e hice mi prototipo que funciono en un 100%. La dificultad más relevante que se encontró fue que no funcionaron los dos motores por tal motivo se optó por colocar un motorreductor porque los engranes que trae hace que se mueva más lento
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pero tenga más fuerza. El objetivo se realizó completamente porque la pala y el carrito tienen la movilidad deseada desde un inicio. En un futuro, sería pertinente mejorar este prototipo y hacer un robot que pueda rescatar o ayudar personas, con la posibilidad de modificar su forma, por ejemplo, adaptarlo en forma de araña, o colocarle ruedas de oruga para que pueda caminar en zonas montañosas, o inclusive que pueda escarbar debajo de la tierra. Se ha visto que de acuerdo con las necesidades o la finalidad del robot, es posible integrar diferentes tipos de herramientas y además es posible también modificar la forma de comunicación, ya que podría utilizar wifi, bluetooth, o alguna otra tecnología. Se espera que en un futuro se tenga la oportunidad de realizarlo o mejorarlo y así ir adquiriendo mayor conocimiento sobre estos temas que son de mucho interés en la actualidad y para el futuro.
Agradecimientos
Le quiero dar las gracias a mis 2 asesores porque fueron pacientes conmigo, me demostraron la humildad y el ayudarnos los unos a los otros. GRACIAS. Fue un placer conocerlos.
Referencias bibliográficas
Banzi, M., Cuartielles, D., Igoe, T., Martino, G., & Mellis, D. (2005). Arduino. Retrieved July 10, 2016, from https://www.arduino.cc/
Google. (2014). Android Studio. Retrieved July 14, 2016, from https://developer.android.com/studio/index.html
Lombard, M. (2011). SolidWorks 2011 Parts Bible (1st ed.). Wiley Publishing.
Ruiz-Velasco, E. (2007). Educatrónica: innovación en el aprendizaje de las ciencias y la tecnología. Editorial Díaz de Santos, SA, Buenos Aires.
Xie, H., & Shi, W. (2002). Using solidworks 2000 software to design three-dimensional modeling for assembled part [J]. Machinery Design & Manufacture, 1, 15.
XYZ Printing. (2014). DaVinci 3D Printer. Retrieved July 10, 2016, from http://eu.xyzprinting.com/eu_es/Product/da-Vinci-1.0A
