Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

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1 Benemérita Universidad Autónoma de Puebla FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRONICA MATERIA: Control I PROFESOR: Jaime Cid Monjaraz TRABAJO: Reporte del proyecto del Brazo Robot Oruga ALUMNOS: César Aguilar Hernández. Gerardo Soriano Cohetero. Miguel Angel Hernández Vélez. Sergio Gonzalo Castillo Saucedo. Diego Perea Verano 2003 Puebla de los Angeles 2003

2 Objetivos: Diseñar y armar un prototipo con las distintas partes del Lego, incluyendo sensores, motores y la gran variedad de piezas y engranes que incluye el paquete de Lego. El diseño debe ser controlable de manera automática por el controlador RCX del lego. Que el alumno comprenda la importancia que tiene el control en los diferentes tipos de sistemas y robots. Introducción. Tipos y definiciones de Robots. La palabra robot se empleó por primera vez en 1920 en una obra de teatro llamada "R.U.R." o "Los Robots Universales de Rossum" escrita por el dramaturgo checo Karel Capek. La trama era sencilla: el hombre fabrica un robot luego el robot mata al hombre. Sin embargo, películas más recientes, como "La Guerra de las Galaxias" de 1977, retratan a robots como "C3PO" y "R2D2" que ayudan al hombre. "Número 5" de "Cortocircuito" y "C3PO" realmente tienen apariencia humana. Entre las diferentes definiciones de la palabra robot, tenemos: Ingenio mecánico controlado electrónicamente, capaz de moverse y ejecutar de forma automática acciones diversas, siguiendo un programa establecido. Máquina que en apariencia o comportamiento imita a las personas o a sus acciones como, por ejemplo, en el movimiento de sus extremidades Un robot es una máquina que hace algo automáticamente en respuesta a su entorno. Un robot es un puñado de motores controlados por un programa de ordenador. Un robot es un ordenador con músculos. Móviles Los robots móviles están provistos de patas, ruedas u orugas que los capacitan para desplazarse de acuerdo su programación. Elaboran la información que reciben a través de sus propios sistemas de sensores y se emplean en determinado tipo de instalaciones industriales, sobre todo para el transporte de mercancías en cadenas de producción y almacenes. También se utilizan robots de este tipo para la investigación en lugares de difícil acceso o muy distantes, como es el caso de la exploración espacial y las investigaciones o rescates submarinos.

3 Industriales Los robots industriales son artilugios mecánicos y electrónicos destinados a realizar de forma automática determinados procesos de fabricación o manipulación. También reciben el nombre de robots algunos electrodomésticos capaces de realizar varias operaciones distintas de forma simultánea o consecutiva, sin necesidad de intervención humana, como los también llamados «procesadores», que trocean los alimentos y los someten a las oportunas operaciones de cocción hasta elaborar un plato completo a partir de la simple introducción de los productos básicos. Los robots industriales, en la actualidad, son con mucho los más frecuentemente encontrados. Japón y Estados Unidos lideran la fabricación y consumo de robots industriales siendo Japón el número uno. Es curioso ver cómo estos dos países han definido al robot industrial: La Asociación Japonesa de Robótica Industrial (JIRA): Los robots son "dispositivos capaces de moverse de modo flexible análogo al que poseen los organismos vivos, con o sin funciones intelectuales, permitiendo operaciones en respuesta a las órdenes humanas". El Instituto de Robótica de América (RIA): Un robot industrial es "un manipulador multifuncional y reprogramable diseñado para desplazar materiales, componentes,

4 herramientas o dispositivos especializados por medio de movimientos programados variables con el fin de realizar tareas diversas". Teleoperadores Hay muchos "parientes de los robots" que no encajan exactamente en la definición precisa. Un ejemplo son los teleoperadores. Dependiendo de cómo se defina un robot, los teleoperadores pueden o no clasificarse como robots. Los teleoperadores se controlan remotamente por un operador humano. Cuando pueden ser considerados robots se les llama "telerobots". Cualquiera que sea su clase, los teleoperadores son generalmente muy sofisticados y extremadamente útiles en entornos peligrosos tales como residuos químicos y desactivación de bombas. Desarrollo. Nuestro proyecto consistió en armar un brazo oruga, debido a que viendo los manuales del Lego, nos intereso el armado de este prototipo del brazo, sin embrago, este prototipo no tenia incluida la base de la oruga, que se podría decir, que es una variante que fue incluida en nuestro proyecto, con la finalidad de que nuestro brazo robot tuviera movimientos hacia adelante y hacia atrás. A continuación de muestra el armado de la oruga: Esta oruga tiene la función de base para nuestro brazo robot, pero además lo ayuda a desplazarse de adelante hacia atrás, esto lo logra con ayuda de una motor DC, pero el motor no seria suficiente para mover todo el brazo robot por lo que es necesario la ayuda de engranes como se puede observar en la figura de arriba. El motor puede ser controlado por medio del control remoto del lego, cuando este es conectado a cualquiera de los tres puertos (A,B,C) del RCX o pude ser programado con ayuda del editor de LEGO.

5 Descripción del RCX. También se muestra el RCX que viene en el lego, el cual se podría decir que es uno de los accesorios de más importancia debido a que es el controlador de los motores, los sensores y es en el cual se almacenan los programas que hacen que los prototipos realicen de manera automática una determinada rutina que se haya programado. Cabe mencionar que el RCX es programado por medio de una señal infrarrojo, similar a la señal que envía un control remoto de televisión, para ello es necesario instalar el programa de Lego en una computadora y por medio del puerto USB de la computadora es como el control se comunica con la computadora y este envía la señal de infrarrojo hacia el RCX. Además cabe mencionar que el RCX cuenta con 3 puertos para el control de 3 motores de DC y 3 puertos para la manipulación de los sensores. Se podría decir que a nivel programación cuenta con 5 slots para programarle 5 diferentes rutinas, sin embrago, el slot 1 no funciona. A continuación se muestra el RCX: A continuación se muestra el armado de la base de rotación del brazo robot, también se puede observar el control principal el RCX.

6 Para que el brazo robot pueda girar sobre su propio eje necesita de la ayuda de un motor DC el cual también es controlado con ayuda del RCX Pero para este caso los necesitamos que el motor haga rotar al brazo robot sobre su propio eje por lo que se necesitara de la ayuga de engranes y una polea, estos engranes y poleas además de proporcionar un mayor torque, para poder mover el brazo son necesarios para trasladar el movimiento en donde se necesita, por que como se observa en la figura por problemas de diseño el motor nos queda en una posición totalmente opuesta en donde se esta realizando la función de rotación del brazo robot. A continuación se muestra la sección encargada de proporcionar el movimiento de arriba y abajo del brazo robot.

7 En la figura se muestran los engranes que proporcionarán la fuerza necesaria para mover el brazo robot de arriba abajo. En la figura, la sección de engranes dentro del circulo rojo, es la encargada de mover el brazo de arriba hacia abajo, esto debido a que, cuando el motor gira en un sentido también giran debido a la forma en que están colocados hacen mover el brazo de arriba abajo pero estos tienen un tope mecánico, por lo que podemos dañar el motor o el mecanismo, por lo que se utiliza un censor de toque el cual detiene el motor cuando llega a un máximo o un mínimo.

8 En esta figura se puede observar el brazo completamente armado, cabe mencionar que la mano que se observa dentro del circulo se abrirá mientras el brazo desciende y cerrara al subir. Finalmente el armado total del Brazo se muestra a continuación: Finalmente con la variante de la base oruga que se le implemento al brazo nos quedo de la siguiente manera:

9 Características del brazo robot 1. El brazo robot se encuentra montado sobre una oruga, la cual puede desplazarse hacia delante y atrás.

10 2. El brazo Robot puede rotar sobre su propio eje 3. Cuenta con un censor de luz el cual puede detectar objetos sobre una superficie 4. Puede abrir la mano cuando baja el brazo y la cierra cuando sube. Programación del Juguete lego Brazo-Oruga Fig 1. Brazo-Oruga 1. Motor del movimiento arriba y abajo del brazo 2. Pinza del brazo que se abre cuando el brazo está abajo 3. Base del brazo para el movimiento izquierda derecha 4. Sensor de luz para detectar objetos que se encuentren abajo de la pinza. 5. Oruga para movimiento adelante-atrás de todo el brazo 6. Sensor de contacto utilizado como tope de subida de el brazo 7. Sensor de contacto utilizado como tope de bajada de el brazo Poder controlar los movimientos que puede realizar el brazo-oruga mostrado en la figura 1 de arriba así como también hacer uso de los sensores de luz y contacto para ayudar en la automatización de éste, siendo los movimientos que se pueden realizar los siguientes. Brazo arriba y abajo, controlado por el motor B. Brazo izquierda y derecha, controlado por el motor A. Oruga Adelante y atrás, controlado por el motor C. Sensor de contacto como tope de subida y bajada, conectado a la entrada 1. Sensor de luz para la detección de objetos, conectado a la entrada 2

11 Diseño del Programa Dado que el diseño del proyecto se basó en el brazo incluido en uno de los kits del paquete del lego, la programación de éste se basó también en los bloques incluidos en el módulo predesignado para la programación del mismo contenido en el CD incluido en el paquete. En la fig 2a se pueden observar la lista de módulos predesignados contenido en el programa Robotics Invention System 2.0. Fig 2a listado módulos de programación para los diferente robots prediseñados Fig 2b Entorno de programación La programación del Brazo es relativamente sencilla, básicamente se basa en bloques gráficos que se unen uno tras otro de manera que se construya una secuencia como si se tratase de un diagrama de flujo. Los bloques se pueden describir como Bloques grandes y Bloques pequeños. Los bloques pequeños son bloques básicos que contiene las instrucciones para el direccionamiento, encendido y apagado de los 3 motores(abc) que pueden ser activados en el RCX, también se encuentran otro tipo de instrucciones elementales para poder controlar por completo el comportamiento del RCX. Algunos de los bloques básicos que fueron utilizadas son las siguientes: set direction, on Wait for, Repeat for y Off. La instrucción On y Off nos brinda la opción de seleccionar uno o varios motores para activar o desactivar en un menú como el de la fig 3a y fig 3b

12 Fig. 3a Opciones para el bloque on Fig 3b opciones para el bloque off Set direction, pone la polaridad que tendrá los motores activados por set, utilizando el menú de la siguiente fig 4ª Fig. 4a Opciones para poner a dirección del motor Fig 4b opciones para esperar por ciertotiempo Wait for, hace un retardo por un tiempo t, especificado en el menú de la fig 4b En los bloques grandes están contenidos los bloques pequeños, estos bloques sirven para poder programar de una mejor forma ya que dentro de ellos se contiene un miniprograma que realiza una tarea en específico

13 Fig 5a Bloque grande llamado Arriba Fig 5b Bloques pequeños contenidos dentro de un bloque grande Por ejemplo, un bloque grande puede ser llamado como Arriba (fig 5a y fig 5b) que moverá el brazo en dicha dirección y adentro de éste módulo primero se pone la dirección del motor B con set direction Bv, en seguida se enciende el motor B con On B que se mantendrá durante 1 segundo en éste estado con la instrucción Wait for 1.0 sec, una vez terminado el tiempo específicado en Wait for el motor se apaga con Off B. También existe bloques de decisión y bloques llamados bucles o ciclo, que a lo mismo como en lenguajes de programación como C, los bloques if tienen como finalidad evaluar varios valores para poder tomar una decisión en el flujo de la ejecución de instrucciones a ejecutar. En el lenguaje de programación del lego podemos utilizar los sensores como elementos para comparar con un número y así poder tomar decisiones. Cabe señalar que para los censores utilizados, el funcionamiento de estos se utilizan dentro de las sentencias IF, While, Until. Sentencia if, compara con el valor que tenga el sensor, por ejemplo si el sensor de contacto está presionado, entonces pressed es 1, y toma la decisión en yes en la fig 6 Fig 6 Sentencia if

14 Al igual que en C Repeat while y Repeat until, son sentencias bucle o de ciclo, es decir que se ejecuta lo que se encuentre dentro de dicho segmente hasta que la condición de salida se cumpla, por ejemplo también utilizando el sensor de contacto en la fig 7 el ciclo se repetirá hasta que el sensor esté presionado, una vez el sensor capture presión el ciclo terminará y seguirá con las instrucciones siguientes. Fig. 7a Repeat While Fig. 7b Repeat until Además del sensor de contacto existe el sensor de luz y estos se pueden considerar como se explica a continuación. Sensor de contacto: para configurar este sensor de contacto el programa nos proporciona los siguientes menús. Fig 8a Fig 8b Fig 8c En la fig 8a, se presenta el puerto en donde va a estar conectado el sensor los cuales pueden ser puerto 1, 2 y 3. En la fig 8b, se elige el modo en el cual va a operar el sensor de presión, y por último en la figura 8c, se muestra el modo en el cual finalmente operará el sensor. El sensor de luz emite con un led un haz luminoso que es reflejado por algún cuerpo y la luz reflejada es captada por un fotosensor, así en la fig 9a se selecciona el puerto en el cual se conectó el sensor, para esté sensor solo están disponibles los puertos 2 y 3, en seguida en la fig 9b se muestra el modo de operación del sensor de luz dándonos la opción

15 de detector de brillo, de obscuridad y sensor de un haz luminoso. En la fig 9c, nos muestra el rango de sensibilidad para nuestro sensor mostrándonos una barra con una escala de 1 a 100, y también nos muestra un modo automático, la opción depende de la aplicación que se tenga para el sensor, como opción adicional se proporcional el menú Try it en la fig 9d, esto ara calibrar el sensor dependiendo de nuestra necesidades mostrándonos en tiempo real la detección de brillo del sensor de luz. Fig 9a selección de puerto Fig 9b, modo de operación del sensor de luz Fig 9c Nivel de brillo del sensor Fig 9d, test de detección de brillo en tiempo real. Una vez visto una descripción breve de los bloques básicos que se manejan en el programa del juguete lego podemos programar una rutina para nuestro brazo, para esto primero definiremos por medio de un diagrama de flujo común lo que queremos que haga nuestro brazo, este diagrama se muestra en la figura 10.

16 Inicio Poner arriba el brazo hasta el tope Iniciar búsqueda Moviendo de izquierda a derecha el brazo No El objeto fue encontrado? Si derecha Cual fue la dirección del brazo cuando enontró el objeto? izquierda Mover el brazo a la derecha 30 Mover el brazo a la izquierda 30 Baja el brazo abajo hasta el tope Baja el brazo abajo hasta el tope Mover el brazo a la izquierda 30 Mover el brazo a la derecha 30 Mover el brazo arriba hasta el tope Mover la oruga hacia atras durante 10 seg Bajar el brazo hasta el tope FIN Fig 10. Diagrama de flujo a programar en el RCX del lego La rutina de la figura 10, como vemos no es muy compleja, básicamente se está programando al brazo-oruga para que primero se posicione arriba, en seguida busque un objeto con el sensor de luz y si lo halla que mueva un poco el brazo a la derecha o a la izquierda según la dirección previa del brazo, a continuación el brazo recogerá el objeto moviéndose hacia abajo y luego hacia la derecha o izquierda también sea el caso, para finalmente agarrar el objeto moviendo el brazo hacia arriba, por último la oruga se mueve hacia atrás para transportar el objeto capturado durante cierto tiempo para finalmente soltar el objeto bajando el brazo.

17 En la figura 11a y 11b mostramos los bloques realizados en el programa del lego, y además se incluyen los bloques que representan al diagrama de flujo de la fig 10, para relacionarlos entre sí. Fig 11a Fig 11b

18 Galería de fotos. A continuación se muestra una galeria de fotos que fueron tomadas al brazo oruga realizando las diferentes rutinas que le fueron programadas:

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26 Conclusiones. Se puede mencionar que no tuvimos mayores complicaciones con el armado de nuestro brazo oruga, simplemente es cuestión de dedicarle un buen lapso de tiempo, con lo que respecta a la programación pues fue relativamente sencilla, pues para ello, ya se cuenta con los bloques predeterminados que realizan cierta función, lo poco que represento dificultad fue al momento de unirlos, sin embargo, resulto ser fácil. Algunos de los problemas que se nos presento al poner a trabajar nuestro brazo robot, fue con la detección de los objetos, pues de acuerdo a cuanto se encontraba iluminado el ambiente donde nos encontrábamos con el robot, era necesario calibrar nuevamente el sensor de luz, para que el brazo detectara la presencia de un objeto y de esta manera tomara el objeto de manera automática. Fuera de esto no tuvimos grandes complicaciones.