Embed Size (px)
DESCRIPTION
Treball de recerca de Anna Masana Rodríguez.
Citation preview
Robot de
laberint
Anna Masana Rodríguez
2n Batxillerat Tecnològic
Professor: Fernando Hernández
2
ÍNDEX:
1. OBJECTIUS.............................................................................................
2. INTRODUCCIÓ.....................................................................................
3. ROBÒTICA............................................................................................
3.1 Historia de la robòtica..............................................................
3.2 El terme robot.........................................................................
3.3 Tipus de robots........................................................................
3.3.1 Classificació segons l’arquitectura................................
3.3.2 Classificació segons la seva generació.........................
3.3.3 Classificació segons el moviment................................
3.4 Parts d’un robot.........................................................................
3.4.1 Alimentació.....................................................................
3.4.2 Sistema de control..........................................................
3.4.3 Estructura......................................................................
3.4.4 Motors.............................................................................
3.4.4.1 Corrent continu......................................................
3.4.4.2 Servo motor.............................................................
3.4.4.3 Motor pas a pas.......................................................
3.4.5 Sensors.........................................................................
3.4.5.1 Finals de cursa........................................................
3.4.5.2 Capacitius.............................................................
3.4.5.3 Inductius................................................................
3.4.5.4 Fotoelèctrics.................................................................
3.4.5.4.1 Infrarojos....................................................
3.4.5.4.2 Ultrasònics..................................................
4. DISSENY D’UN ROBOT DE LABERINT...........................................
4.1 Introducció..............................................................................
4.2 Determinació dels components................................................
4.2.1 Sistema de control.................................................
4.2.1.1 Programador...............................................
Pàg. 4
Pàg. 5
Pàg. 7
Pàg. 7
Pàg. 8
Pàg. 8
Pàg. 8
Pàg. 10
Pàg. 11
Pàg. 13
Pàg. 13
Pàg. 15
Pàg. 16
Pàg. 17
Pàg. 19
Pàg. 19
Pàg. 20
Pàg. 21
Pàg. 21
Pàg. 22
Pàg. 23
Pàg. 23
Pàg. 24
Pàg. 25
Pàg. 26
Pàg. 26
Pàg. 26
Pàg. 32
Pàg. 32
3
4.2.2 Alimentació..........................................................
4.2.3 Motors.................................................................
4.2.4 Estructura................................................................
4.2.5 Sensors.................................................................
4.3 Construcció del robot......................................................................
4.3.1 Muntatge de l’estructura.....................................
4.3.2 Muntatge dels motors............................................
4.3.3 Muntatge de les rodes..........................................
4.3.4 Muntatge de la placa de control...........................
4.3.5 Muntatge del sistema d’alimentació....................
4.3.6 Muntatge dels sensors.........................................
4.4 Modificació dels motors.......................................................
5 PROGRAMACIÓ.................................................................................
5.1 Introducció a la programació amb Picaxe...............................
5.1.1 Modes de programació..........................................
5.2 Programes de proves............................................................
5.2.1 Comprovació del programador.............................
5.2.2 Comprovació de les sortides................................
5.2.3 Comprovació de les entrades...............................
5.2.4 Programes de proves de moviments.....................
5.3 Algoritme del programa......................................................
5.4 Programa principal.............................................................
6 MATERIALS I PRESSUPOST.............................................................
7 CONCLUSIÓ............................................................................................
8 FONTS D’INFORMACIÓ.......................................................................
Pàg. 33
Pàg. 34
Pàg. 34
Pàg. 35
Pàg. 35
Pàg. 36
Pàg. 36
Pàg. 37
Pàg. 38
Pàg. 38
Pàg. 39
Pàg. 40
Pàg. 42
Pàg. 42
Pàg. 43
Pàg. 43
Pàg. 43
Pàg. 44
Pàg. 44
Pàg. 44
Pàg. 49
Pàg. 53
Pàg. 54
Pàg. 56
Pàg. 57
4
1. OBJECTIUS.
El principal objectiu d’aquest treball és poder construir un robot que sigui capaç
de resoldre un laberint sense cap ajuda.
Altres objectius que espero aconseguir són saber com funciona el programa
per programar picaxe, fabricar un placa de circuit imprès i conèixer tot el
funcionament i mecanisme d’un robot. I tenir més detall dels components ja que
els hauré d’estudiar detingudament.
Un dels principals objectius de la Robòtica Educativa, és la generació d'entorns
d'aprenentatge basats fonamentalment en l'activitat dels estudiants. És a dir,
podré concebre, desenvolupar i posar en pràctica el robot amb els meus
coneixements adquirits que em permetran resoldre problemes i em facilitaran
al mateix temps, certs aprenentatges.
Amb una mica més de temps podria aconseguir que el robot memoritzés el
recorregut per després tornar-lo a fer, o recordar l’últim pas per desfer-lo i
emprendre un altre camí.
5
2. INTRODUCCIÓ.
Vaig escollir aquest treball perquè trobo que el món de la robòtica és
interessant i m’agradaria poder-lo conèixer més. Des de sempre m’ha agradat
tot això de la robòtica però mai he tingut l’oportunitat de poder realitzar un
treball tan complexa com aquest.
Em va anar molt bé l’assignatura d’electrònica perquè ens van ensenyar a
dissenyar i crear plaques de circuit imprès amb programes que després vaig
necessitar per al meu treball.
Aquest treball consta de dues parts; la part teòrica i la part pràctica. La part
pràctica consisteix en construir un robot que resol laberints. La part teòrica
conté tota la informació que he anat estudiant i tots els passos que he seguit
per poder crear aquest robot.
El primer que vaig fer, va ser principalment saber quins eren tots els elements
necessaris per poder construir el robot i seguidament iniciar-me en la
programació.
Per començar vaig estudiar les diferents estructures que podia tenir el meu
robot i vaig decidir que el construiria amb la base de metacrilat. Els sensors que
vaig col·locar van ser finals de carrera i per tenir moviment, uns servomotors
que vaig haver de modificar perquè funcionessin com uns motors de corrent
continua. Com a microcontrolador vaig decidir que utilitzar un picaxe era la idea
més adequada.
Un cop vaig aconseguir tots els materials necessaris, el següent pas va ser
començar a dissenyar la placa de circuit imprès, per fer-ho vaig utilitzar l’Orcad
(programa que vam utilitzar a l’assignatura d’electrònica). Quan ja la vaig tenir
dissenyada, vaig començar a soldar-la.
6
Per poder soldar tots els components a la placa s’ha de tenir molta cura de
l’espai que tens, la distribució dels components i les connexions que has de
soldar.
Acabada la placa el més important és comprovar que totes les connexions són
correctes, per això el que vaig fer, va ser enviar programes amb diferents
funcions. Per exemple, per comprovar que totes les entrades i sortides
funcionaven correctament vaig enviar al picaxe un programa que fes que quan
un sensor s’activés, un led s’encengués o apagués. D’aquesta manera quan un
led no feia el que jo li havia manat, volia dir que alguna cosa fallava.
Un cop comprovades totes les connexions, el que queda és pensar el millor lloc
per a cada sensor i fer el programa adequat per que el robot pugui resoldre el
laberint. Vaig pensar que la millor distribució dels sensors era: dos sensors
davant, dos darrere i un a cada costat.
Així dons, les ordres que vaig enviar amb el programa van ser les següents:
Si un dels sensors del davant xoca amb una paret, el robot es fa una mica
enrere i gira a dreta o esquerra depenent els sensor que l’hagi activat.
Si un dels sensor del costat xoca amb una paret, el robot es fa enrere i gira una
mica (menys que en el cas anterior) a dreta o esquerra depenent els sensor
que s’hagi activat.
Si un dels sensor del darrera xoca amb una paret, el robot s’avança i gira una
mica (com en el cas anterior) a dreta o esquerra depenent els sensor que
s’hagi activat.
7
3. ROBÒTICA.
La robòtica és una branca de la tecnologia, que estudia el disseny i construcció
de màquines que s’ocupen de les tasques repetitives, en les que es necessita
una alta precisió, tasques perilloses per a l'ésser humà o tasques que no es
poden realitzar sense la necessitat d'una màquina. La robòtica podria derivar
de l'àlgebra, els autòmats programables, la mecànica, l'electrònica i la
informàtica.
3.1 Historia de la robòtica.
La historia de la robòtica està unida als artefactes que intentar crear la gent a
semblança seva per tal de descarregar-se dels treballs més durs. El enginyer
espanyol Leonardo Torres Quevedo (que va construir el primer comandament a
distància per al seu automòbil mitjançant telegrafia sense fil, el primer
transbordador aeri i molts altres enginys) va aportar el terme “automàtica”
relacionant-lo amb l’automatització de tasques associades als humans.
Isaac Asimov va ser qui va definir el terme de robòtica com la ciència que
estudia els robots. Asimov va crear les Tres lleis de la Robòtica:
1. Un robot no pot fer mal a cap humà o deixar que un ésser humà
sofreixi dany per culpa de la seva inacció.
2. Un robot ha de obeir totes les ordres que li són donades per un ésser
humà, excepte si aquestes ordres entren en conflicte amb la primera llei.
3. Un robot ha de protegir la seva pròpia existència, fins que aquesta
protecció no entri en conflicte amb la primera o la segona llei.
A la ciència ficció l’home a imaginat els robots fent-se amb el poder, visitant
nous móns o simplement fent les feines de la casa.
8
Román Gubern en el seu llibre El simi informatitzat els motius per els quals els
éssers humans creem éssers artificials semblant a nosaltres. Alguns robots
estan dissenyats per a assemblar-se als humans.
3.2 El terme robot.
La paraula robot prové de la paraula txec robota, que significa servitud, treball
forçat o esclavitud, especialment els esclaus que van viure a l’imperi
Austrohongarès fins 1848.
Un robot es defineix com una màquina o enginy electrònic programable, capaç
de manipular objectes i realitzar operacions que abans estaven reservades
solament a les persones. No obstant això, s’ha avançat molt en el camp dels
robots amb intel·ligència. Les accions d’aquest tipus de robots són generalment
portades a terme per motors que mouen extremitats o impulsen al robot. Així
mateix, el terme robot ha estat utilitzat com una màquina mecànica o autòmat,
que imita a un animal, ja sigui real o imaginari, però s’ha vingut aplicat a moltes
màquines que reemplacen directament a un humà o animal en el treball o el
joc.
3.3 Tipus de robots.
Hi ha moltes maneres de classificar el robots, però generalment es fa segons
l’arquitectura i la seva generació.
3.3.1 Classificació dels robots per la seva arquitectura.
- Poliarticulats: En aquest grup estan inclosos molts robots de diferents formes i
configuracions però que tenen la característica comú de ser estàtics i moure les
seves extremitats.
9
Gràfic 1: Robot poliarticulat.
- Mòbils: Aquests robots tenen grans capacitats de desplaçament, basats en
carros o plataformes i dotats de un sistema locomotor de tipus rodant.
Gràfic 2: Robot mòbil.
- Androides: En aquest grup estan inclosos robots que intenten reproduir el
comportament de l’ésser humà. Encara ara, els androides són dispositius molt
poc evolucionats destinats especialment a la experimentació.
Gràfic 3: Robot androide.
10
- Zoomórfics: Aquest grup es caracteritza pel seu sistema de locomoció que
imita als diferents ésser vius. S’agrupen en dues categories: caminadors i no
caminadors.
Gràfic 4: Robot zoomórfic.
- Híbrids: Aquest grup correspon a aquells de difícil classificació, amb una
estructura formada per la combinació d’alguna de les anteriors.
Gràfic 5: Robot híbrid.
3.3.2 Classificació dels robots per la seva generació.
- Robots de 1º generació: El sistema de control està basat en les “parades
fixes” mecànicament. Com per exemple d'aquesta primera etapa estan els
mecanismes de rellotgeria que mouen les caixes musicals o les joguines de
corda.
11
- Robots de 2º generació: El moviment es controla a través d'una seqüència
numèrica emmagatzemada en disc o cinta magnètica. Normalment, aquest
tipus de robots s'utilitza en la indústria automotriu i són de gran mida.
- Robots de 3º generació: Utilitzen les computadores per al seu control i tenen
certa percepció del seu entorn a través de l'ús de sensors. Amb aquesta
generació s'inicia l'era dels robots intel·ligents i apareixen els llenguatges de
programació per a escriure els programes de control.
- Robots de 4º generació: Es tracta de robots altament intel·ligents amb més i
millors extensions sensorials, per a entendre les seves accions i captar el món
que els envolta. Incorporen conceptes “modèlics” de conducta.
- Robots de 5º generació: Actualment es troben en desenvolupament. Aquesta
nova generació de robots basarà la seva acció principalment en models
conductuals establerts.
3.3.3 Classificació segons el moviment.
- Cartesià: aquest tipus de robot utilitza tres dispositius relliscants
perpendiculars entre sí, per generar moviments en els tres eixos cartesians x, y
i z.
Gràfic 6: Robot Cartesià.
- Cilíndric: es basa en una columna vertical que gira sobre la base. També té
dos dispositius relliscants que poden generar moviments en els eixos Y i Z.
12
Gràfic 7: Robot Cilíndric.
- Esfèric o polar: utilitza un braç telescòpic que pot vascular en torn a un eix
horitzontal. Aquest eix està sobre una base giratòria. Les articulacions
proporcionen al robot la capacitat per desplaçar el braç en una zona esfèrica.
Gràfic 8: Robot Esfèric o polar.
- Articulat: es tracta d’una columna que gira sobre la base. El braç conté una
articulació, però només pot fer moviments en un pla. A l’extrem conté un l’eix
relliscant que es desplaça en l’eix Z.
13
Gràfic 9: Robot Articulat.
- Antropomòrfic: està constituït per dos components rectes que simulen el braç
o l’avantbraç humà, sobre una columna giratòria.
Gràfic 10: Robot Antropomòrfic.
3.4 Parts d’un robot.
Ara explicaré de manera separada les parts per les quals està format el robot.
3.4.1 Alimentació.
Se n’encarrega de subministrar l’energia necessària a tots els elements que
formen el robot (sensors, motors, controlador, etc.).
Hi ha diferents tipus:
- Piles: Es diu ordinàriament pila elèctrica a un dispositiu que genera
energia elèctrica per un procés químic transitori, després de la qual
finalitza la seva activitat i han de renovar-se els seus elements
14
constituents, ja que les seves característiques resulten alterades durant
el procés. Es tracta d'un generador primari. Aquesta energia resulta
accessible mitjançant dues terminals que té la pila, anomenats pols,
elèctrodes o borns. Un d'ells és el pol positiu o ànode i l'altre és el pol
negatiu o càtode.
Gràfic 11: Diferents tipus de piles.
- Bateries: Se li anomena bateria elèctrica, acumulador elèctric o
simplement acumulador, al dispositiu que emmagatzema energia
elèctrica utilitzant procediments electroquímics i que posteriorment la
retorna gairebé en la seva totalitat; aquest cicle pot repetir-se un
determinat nombre de vegades. Es tracta d'un generador elèctric
secundari; és a dir, un generador que no pot funcionar sense que se li
hagi subministrat electricitat prèviament mitjançant el que es denomina
procés de càrrega.
Gràfic 12: Bateria.
15
3.4.2 Sistema de control.
La seva missió consisteix a detectar alguna condició de l’entorn (llum,
temperatura, etc.), i en funció dels valors que detecta efectua alguna acció com
a resposta.
Hi ha dos tipus:
- Llaç obert: Són els sistemes en els quals la senyal de sortida no influeix
sobre la senyal d’entrada.
- Llaç tancat: La senyal de sortida influeix sobre la senyal d’entrada
(realimentació).
Els elements d’un sistema de control són:
- Senyal d’entrada: És la senyal que volem tenir a la sortida del sistema,
és sobre la que actuem.
- Comparador: Element que compara la senyal d’entrada amb la senyal de
realimentació i genera una senyal d’error que actua sobre l’element de
control.
- Senyal d’error: És la senyal diferència entre la senyal d’entrada i la que
prové del sensor que detecta la senyal de sortida (realimentació).
- Element de control: És l’element encarregat de generar una senyal en
funció de la senyal d’error per actuar sobre el procés.
- Senyal de sortida: És la senyal que actua directament sobre el procés a
controlar.
- Procés: És l’element que volem controlar.
16
- Realimentació:Introdueix en el sistema la senyal de sortida mitjançant un
sensor que serveix per comparar-la amb la d’entrada.
3.4.3 Estructura.
Hi ha moltes maneres de construir l’estructura d’un robot, aquí poso alguns
exemples:
- CD: Es poden utilitzar dos CD en comptes de dues rodes i un altre CD
per aguantar el portapiles.
Gràfic 13: Robot de CD.
- Fusta: Un altre recurs és utilitzar fusta però construir les rodes i el xassís
del robot.
Gràfic 14: Robot de fusta.
17
- Metacrilat: També es una bona idea utilitzar metacrilat per a l’estructura
del robot.
Gràfic 15: Robot de metacrilat.
- Plàstic: El plàstic és un altre material molt útil per fabricar estructures.
Gràfic 16: Robot de plàstic.
3.4.4 Motors.
Un motor és una màquina capaç de transformar l'energia emmagatzemada en
combustibles, bateries o altres fonts, en energia mecànica capaç de realitzar un
treball.
Existeixen diversos tipus, que es classifiquen en:
18
- Motors tèrmics: quan el treball s'obté a partir d'energia tèrmica.
- Motors de combustió interna: són motors tèrmics en els quals es
produeix una combustió del fluid motor, transformant la seva
energia química en energia tèrmica, a partir de la qual s'obté
energia mecànica. El fluid motor abans d'iniciar la combustió és
una barreja amb un comburent (com l'aire) i un combustibles, com
els derivats de petroli o del gas natural o els biocombustibles.
Gràfic 17: Motor Wankel.
- Motors de combustió externa: són motors tèrmics en els quals es
produeix una combustió en un fluid distint al fluid motor. El fluid
motor arriba a un estat tèrmic de major energia mitjançant la
transmissió d'energia a través d'una paret.
Gràfic 18:Rotor de una turbina de
vapor.
19
- motors elèctrics, quan el treball s'obté a partir d'un corrent elèctric. Com
per exemple els que explicaré a continuació.
3.4.4.1 Corrent continu.
El motor de corrent continu és una màquina que converteix l'energia elèctrica
en mecànica, principalment mitjançant el moviment rotatori. La tensió s'aplica
directament als terminals d'aquest produint-se el moviment. Una vegada
polaritzat, s'arriba a una velocitat constant que dependrà del voltatge aplicat i
de les característiques del motor. La quantitat de força que es pot generar anirà
en funció del corrent per les bobines, sent major al augmentar aquesta, és a dir,
si volem generar una certa velocitat, el corrent que hem de generar serà major
si el motor té una càrrega que si no en té.
Gràfic 19: Motor de corrent
continu.
3.4.4.2 Servo motor.
Un servo motor de modelisme és un dispositiu que té la capacitat de situar-se
en qualsevol posició dintre del seu rang d'operació, i de mantenir-se estable en
aquesta posició. Està conformat per un motor de corrent continu, una caixa
reductora i un circuit de control.
L'eix del servo té una rotació limitada a 180 graus però pot ser fàcilment
modificat perquè giri 360º i funcionar com un motor normal.
20
Gràfic 20: Servo motor.
3.4.4.3 Motor pas a pas.
El motor de pas a pas és un dispositiu electromecànic que converteix una sèrie
d'impulsos elèctrics en desplaçaments angulars discrets, el que significa és que
és capaç d'avançar una sèrie de graus (pas) depenent de les seves entrades
de control. El motor pas a pas es comporta de la mateixa manera que un
convertidor digital-analògic i pot ser governat per impulsos procedents de
sistemes lògics.
Aquest motor presenta l’avantatge de tenir alta precisió. Entre les seves
principals aplicacions destaquen com motor de freqüència variable, motor de
corrent continu sense escombretes, servo motors i motors controlats
digitalment.
Existeixen 3 tipus fonamentals de motors pas a pas: el motor de reluctancia
variable, el motor de magnetització permanent, i el motor pas a pas híbrid.
Gràfic 21: Motor pas a pas.
21
3.4.5 Sensors.
Un sensor és un dispositiu capaç de transformar magnituds físiques o
químiques, anomenades variables d'instrumentació, en magnituds elèctriques.
Les variables d'instrumentació depenen del tipus de sensor i poden ser per
exemple: temperatura, intensitat lumínica, distància, acceleració, inclinació,
desplaçament, pressió, força, torsió, humitat, pH, etc. Una magnitud elèctrica
obtinguda pot ser una resistència elèctrica, una capacitat elèctrica (com en un
sensor d'humitat), una tensió elèctrica (com en un termopar), un corrent elèctric
(com un fototransistor), etc.
Pot dir-se també que és un dispositiu que aprofita una de les seves propietats
amb la finalitat d'adaptar el senyal que mesura perquè la pugui interpretar un
altre dispositiu. Com per exemple el termòmetre de mercuri que aprofita la
propietat que posseeix el mercuri de dilatar-se o contreure's per l'acció de la
temperatura. Un sensor també pot dir-se que és un dispositiu que converteix
una forma d'energia en una altra. Els sensors tenen aplicacions en moltes
àrees com per exemple: indústria automotriu, indústria aeroespacial, medicina ,
indústria de manufactura, robòtica , etc.
3.4.5.1 Finals de cursa.
Els sensors de contacte o final de cursa són els dispositius més simples de tots
els sensors que podem trobar-nos, ja que són interruptors que s'activen o
desactiven si es troben en contacte amb un objecte, d'aquesta manera es
reconeix la presència d'un objecte en un determinat lloc.
22
Gràfic 22: Sensor de contacte o final de
cursa.
3.4.5.2 Capacitius.
Aquest tipus de transductor treballa amb un camp electrostàtic. Al aproximar-se
un objecte "metàl·lic" es produeix un canvi en el camp electrostàtic al voltant de
l'element sensor. Aquest canvi és detectat i enviat al sistema de detecció. El
sistema de detecció típic està format per una sonda, un oscil·lador, un
rectificador, un filtre i un circuit de sortida. Quan un objecte "metàl·lic"
s'aproxima al sensor la sonda augmenta la seva capacitancia i activa
l'oscil·lador provocant que aquest dispari el circuit de sortida. Generalment
aquest tipus de sensors funcionen com interruptors obert o tancat. Aquest
detector s'utilitza comunament per a detectar material no metàl·lic: paper,
plàstic, fusta, etc. ja que funciona com un capacitor.
Gràfic 23: Sensor capacitiu.
23
3.4.5.3 Inductius.
Els sensors inductius de proximitat han estat dissenyats per a treballar
generant un camp magnètic i detectant les pèrdues de corrent d'aquest camp
generades al introduir-se en ell els objectes de detecció fèrrics i no fèrrics.
Al aproximar-se un objecte "metàl·lic" o no metàl·lic, s'indueixen corrents
d'histèresis en l'objecte. A causa de això hi ha una pèrdua d'energia i una
menor amplitud d'oscil·lació. El circuit sensor reconeix llavors un canvi específic
d'amplitud i genera un senyal que commuta la sortida d'estat sòlid o la posició
"ON" i "OFF".
El funcionament és similar al capacitiu; la bobina detecta l'objecte quan es
produeix un canvi en el camp electromagnètic i envia el senyal a l'oscil·lador,
després s'activa el disparador i finalment al circuit de sortida fa la transició entre
obert o tancat.
Gràfic 24: Sensor inductiu.
3.4.5.4 Fotoelèctrics.
També es denominen fotocélulas. Aquest tipus de transductor treballa amb un
emissor i detector de llum, com llamps infrarojos. Quan un objecte reflecteix la
llum de l'emissor cap al receptor, aquest la detecta i activa l'etapa de control.
El sistema de detecció típic està format per un transmissor de llum, una etapa
de control, un receptor de llum i un circuit de sortida.
En general el transmissor està connectat a una etapa de control que decideix
l'activació de la transmissió i inclusivament pot generar polsos de freqüència
constant que fan la detecció del sensor més robusta.
24
3.4.5.4.1 Infrarojos.
El dispositiu emet llum infraroja per mitjà d'un led emissor d'ANAR i depenent
del receptor, tenim diferents funcionaments.
Si es tracta d'un sensor lineal, la llum de l'emissor passa a través d'una lent que
concentra els llamps de llum formant un únic llamp el mes concentrat possible
per a millorar la directivitat del sensor, la llum va recta cap a davant i quan troba
un obstacle reflectant rebota i retorna amb un cert angle d'inclinació depenent
de la distància, la llum que retorna és concentrada per altra lent i així tots els
llamps de llum incideixen en un únic punt del sensor de llum infraroja que conté
en la part receptora del dispositiu.
Gràfic 25: Tipus de fotoelèctrics.
3.4.5.4.2 Ultrasònics.
El funcionament bàsic dels ultrasons com mesuradors de distància es mostra
d'una manera molt clara en el següent esquema, on es té un receptor que emet
un pols d'ultrasò que rebota sobre un determinat objecte i la reflexió d'aquest
pols és detectada per un receptor d'ultrasons:
25
Gràfic 26: Sensor d’ultrasò.
26
4. DISSENY D’UN ROBOT DE LABERINT..
A continuació explicaré detalladament tot el procés que he seguit per poder
construir el robot.
4.1 Introducció.
Hem de construir un laberint de dimensions assequibles, i per tant, un robot el
més petit possible, de moment el pensat és un laberint de 96x72cm en el qual
les parets disten 23cm.
Les mides del robot són de 11cm de llarg 10.5cm d’ample i 8cm d’alçada.
4.2 Determinació dels components.
- Servo motors: El component principal d'un servo és un motor de corrent
continu. Necessitarem dos per moure les dues rodes.
Gràfic 27: Servo motor.
- Connector Jack Stereo: És el connector que utilitzem per possibilitar las
transmissió de l’orinador al microcontrolador.
27
Gràfic 28: Connector Jack Stereo.
- Resistència 10K i Resistència 20K: Aquestes resistències son
necessàries per controlar el pas de corren elèctric.
Gràfic 29: Resistències.
- Led: necessitem un led per indicar quan està encès el robot.
Gràfic 30: Leds.
- Resistencia 330Ω: Aquesta resistència es necessària per controlar el
voltatge que passa pel led.
28
Gràfic 31: Resistències.
- Sensores de distancia: Els finals de carrera ens indicaran quan a xocat
amb una paret.
Gràfic 32: Final de carrera
- Driver L293D: És un pack de transistors que la seva funció és la de
regular el corrent que arriba als motors a partir d’un senyal
Gràfic 33: Driver L293D.
- Sòcol 28 pins tornejat: És el component que soldarem a la placa i on
després col·locarem el microcontrolador. D’aquesta manera, evitarem
que se’ns avariï.
29
Gràfic 34: Sòcol 28 pins tornejat.
- Interruptor: Necessitarem un interruptor per encendre i apagar el robot.
Gràfic 35: Interruptor.
- Condensador 100µF Condensador electrolític 330µF/25V, i Condensador
electrolític 100µF/25V: El condensador de filtre és l'encarregat d'eliminar
les petites crestes que queden després d'haver rectificat un corrent
altern. Els díodes rectificadors s'encarreguen de convertir el corrent
altern en corrent continu, però aquesta no és encara, totalment pura,
doncs entre cada cresta de cada semiona positiva o negativa existeix un
interval on la tensió decreix donada la forma d'ona resultant després de
passar pels díodes, per a eliminar aquest inconvenient, s'afegeix al
circuit rectificador, un condensador electrolític de filtre.
30
Gràfic 36: Condensador 100µF.
- Regulador de tensió 7805: Un regulador de tensió és necessari perquè
esta dissenyat amb l'objectiu de protegir aparells elèctrics i electrònics
delicats de variacions de diferència de potencial. Els reguladors de
tensió estan present en les fonts d'alimentació de corrent continu
regulades, la missió del qual és la de proporcionar una tensió constant a
la seva sortida.
Gràfic 37: Regulador de
tensió.
- Diode 1N4007: Els díodes rectificadors s'encarreguen de convertir el
corrent altern en corrent continu, però aquesta no és encara, totalment
pura, doncs entre cada cresta de cada semiona positiva o negativa
existeix un interval on la tensió decreix donada la forma d'ona resultant
després de passar pels díodes, per a eliminar aquest inconvenient,
s'afegeix al circuit rectificador, un condensador electrolític de filtre.
31
Gràfic 38: Diode 1N4007.
- Microcontrolador picaxe 28x: És el microcontrolador que utilitzarem per
emmagatzemar tota la informació que volem que rebi el nostre robot.
Gràfic 39: Picaxe 28X.
- Oscil·lador: En electrònica un oscil·lador és un circuit que és capaç de
convertir el corrent continu en un corrent que varia de forma periòdica en
el temps (corrent altern); aquestes oscil·lacions poden ser senoidales,
quadrades, triangulars, etc., depenent de la forma que tingui l'ona
produïda.
Gràfic 40: Oscilador.
32
4.2.1 Sistema de control.
El sistema de control d’aquest robot es tracte d’un de llaç tancat. Que això vol
dir que quan enviem un programa al microcontrolador podem veure
immediatament els resultats. D’aquesta manera comprovem al moment si el
programa es l’adequat.
4.2.1.1 Programador.
Per poder programar el microcontrolador només necessitem connectar el cable
a l’ordinador i l’altre extrem al connector Jack Stereo.
Com es pot observar a la figura, el primer pin del Jack Stereo està connectat a
dues resistències (una de 10K i una altre de 22K), a massa i tot això al pin
número 6 del picaxe. El segon pin el tenim connectat al pin número 7 del
picaxe. El pin 3 el connectem al pin número 8 del picaxe que correspon a 0V.
També necessitarem connectar un ressonador el primer del qual el
connectarem al pin número 9 del picaxe, el tercer al pin número 10 del picaxxe i
el segon al pin número 8 que correspon a 0V.
Les connexions al microcontrolador PICAXE són aquestes:
Gràfic 41: Connexió de la programació.
33
4.2.2 Alimentació.
El robot està alimentat amb sis piles d’1.5V cadascuna i això fa que el circuit
rebi 9V. Els motor agafen el corrent directament dels 9V, però la resta del
circuit no està a 9V perquè l’alimentació porta un regulador de tensió que fa
que la resta de components no estiguin alimentats a 9V.
L’alimentació es compon d’un diode rectificador que s'encarrega de convertir el
corrent altern en corrent continu, un interruptor per encendre o apagar el robot,
un regulador de tensió, dos condensador de filtre que s'encarreguen d'eliminar
les petites crestes que queden després d'haver rectificat el corrent altern i per
últim també he posat un led per indicar quan està encès i la resistència que l’ha
d’acompanyar.
Gràfic 43: Connexió de l’alimentació.
Gràfic 42: Connexions del picaxe.
34
4.2.3 Motors.
Un cop estudiats els diferents tipus de motors que podem utilitzar per aquest
robot, hem d’escollir el que ens vagi millor. En aquest cas utilitzarem un servo
motor que convertirem en motors de corrent continua amb uns senzills passos.
El motors estan connectats a un driver en aquest cas el L293D que regula el
corrent que arriba als motors, concretament als pins 3, 6 i 11, 14
respectivament. El pin 1 del driver està connectat a massa, el pin 2 al pin
número 28 del picaxe, el pin 7 al pin número 27, el pin 8 es el que agafa els 9V
directament de l’alimentació, el pin 9 és el connectat a 5V, el pin 10 al pin
número 26 del picaxe, el pin 15 al pin número 25 del picaxe i el pin 16 també
està connectat a 5V.
Gràfic 44: Connexió dels motors.
4.2.4 Estructura.
Es necessita una correcta elecció per a l’estructura per que és el que dóna
forma al nostre robot. Com vindria a ser l’esquelet del cos humà.
Com que hem decidit fer el robot amb sensors de contacte, és a dir, el robot va
pel laberint, es xoca contra una paret i dóna mitja volta. En aquest cas la forma
és molt important ja que haurem de pensar que el robot ha de ser capaç de
girar sobre si mateix sense que la paret l'hi impedeixi.
El material que utilitzem per fer aquesta estructura també es important per que
pot ser de diversos materials: metall, plàstic, fusta,...
35
El millor criteri per a triar un o un altre serà, en primer lloc, que el material
estigui disponible, ja que de poc ens servirà pensar en un que no puguem
aconseguir. I, entre els quals trobem, caldrà triar entre un o altre per aspectes
com la resistència, facilitat de mecanitzat i pes.
4.2.5 Sensors.
Ja hem estudiat les característiques dels diferents tipus de sensor que podem
utilitzar per a aquest tipus de robot i per al nostre projecte els sensors més
adequats són els sensors de contacte o finals de carrera.
Són sensors fàcils d’aconseguir i molt econòmics.
Els sensors estan connectats als pins 12,13,14,15,16 i 17 del picaxe. Cada
sensor té dos sortides una connectada a massa i l’altre a una resistència de
10K i als 5V.
Gràfic 45: Connexió dels sensors.
4.3 Construcció del robot.
A priori pot semblar que qualsevol estructura és vàlida per al nostre robot, que
l'important és el que té dintre, però això no és del tot cert. Depenent de la
funció d'aquest robot serà convenient utilitzar una o altra, fins i tot una dolenta
elecció pot fer que es compliquin molt les coses en un futur. Per això, és
convenient utilitzar part del temps a pensar on col·locar les parts del robot i de
quina forma fer-ho.
36
4.3.1 Muntatge de l’estructura.
L’estructura del robot la farem amb un tros de metacrilat perquè és un material
accessible, econòmic i lleuger., i per deixar un espai entre el metacrilat i la
placa de circuit imprès (espai on col·locarem el portapiles), necessitarem uns
separadors hexagonals suficientment llargs.
Gràfic 46: Estructura del robot.
4.3.2 Muntatge dels motors.
Un cop hem escollit els motors mes adients els em de fixar a l’estructura del
robot. Per fixar-los només hem de fer uns forats a la base de metacrilat de
manera que amb uns esquadres quedin els motors ben subjectats, per
assegurar-nos que no es mouran, estabilitzem els claus amb rosques
autoblocants.
Gràfic 47: Portapiles amb el velcro.
4.3.3 Muntatge de les rodes.
37
Abans de posar-nos a muntar les rodes hem de veure on han d'estar
col·locades. En principi podem pensar en una col·locació equidistant en la base
ho mes separades possible per a major estabilitat, ara bé, si ho fem així hem
de tenir en compte com serà l'eix de gir.
Per subjectar les rodes als motors fem uns forats a les rodes i d’aquesta
manera li posem uns claus per fixar-la amb la roda que ja portava el motor.
Per subjectar la roda boja, només em de fer uns forats al metacrilat, passar uns
claus pels forats i assegurar-los amb unes rosques autoblocants.
Gràfic 48: Una de les rodes subjectades als motors.
Gràfic 49: Roda boja.
38
4.3.4 Muntatge de la placa de control.
Existeixen diverses maneres de muntar una placa de control, però jo l’he
muntat soldant cada element manualment. Només mirant l’esquema de les
connexions pots saber com va soldat cada element. Així tant sols has de
controlar l’espai que tens i saber on situar cada element perquè al final hi
càpiguen tots correctament.
4.3.5 Muntatge del sistema d’alimentació.
El portapiles de sis piles el col·locarem entre la placa de circuit imprès i la base
de metacrilat. Per fixar-lo d’alguna manera que no sigui molt difícil de treure a
l’hora de canviar les piles col·locarem una esquadra a la placa i a l’altre part li
posarem una tira de velcro i l’altre tira, amb la que s’enganxarà, la posarem al
portapiles. D’aquesta manera queda ben fix però en qualsevol moment podem
treure’l per canviar les piles.
Gràfic 52: Portapiles amb el velcro.
Gràfic 51: Placa de control.
Gràfic 50: Placa de control.
39
4.3.6 Muntatge dels sensors.
Per a aquest robot necessitarem sis sensors. Dos d’aquest sensors les
posarem a la part del darrera per si xoca per darrera farem que giri una mica.
Dos més els col·locarem a la part del davant del robot per quan toqui la paret
del davant vagi enrera i giri. I per últim dos sensors més als laterals del robot
per si xoca amb alguna paret pel costat vagi una mica enrera i giri un mica.
Els dos sensors del davant i els dos del darrere els aguantarem a la base del
robot amb loctite. Per als dos sensors dels costats necessitarem un esquadra a
la que li donarem uns cops per deixar-la plana i, tal com s’observa a la
fotografia, subjectar els dos sensors amb loctite.
Gràfic 53: Sensor lateral
Gràfic 55: Posició dels sensors.
Gràfic 54: Sensors davanters col·locats igual que els del
darrera.
40
4.4 Modificació dels motors.
Per modificar els servo motors de manera que funcionin com motor de corrent
continua hem de segui els passos següents:
- Pas 1: Descargolar els quatre cargols de la part del darrere del servo, no
es necessari treure la tapa de baix ja que totes les modificacions es
faran en la part de dalt on es troben els engranatges.
Gràfic 56: Descargolar els quatre cargols.
- Pas 2: Treure la tapa superior del servo perquè es vegin els engranatges
i assegurar-nos que no se surtin dels seus eixos. Identificar l'engranatge
principal de sortida que és el que surt cap a fora (en aquest cas és el
negre).
Gràfic 57: Treure la tapa superior del servo.
41
- Pas 3: Remoure l'engranatge del mitjà cap amunt per a poder treure
l'engranatge principal (negre).
- Pas 4: En l'engranatge principal (negre) tallar el topall que té a un dels
costats amb un cutter o amb algun trepant d'alta velocitat. Aquest topall
serveix perquè el servo no pugui passar dels 180 graus i no trenqui el
potenciòmetre.
Gràfic 58: Tallar el topall. Gràfic 59: Tallar el topall.
- Pas 5: Tornar a col·locar l'engranatge principal en el seu lloc després
col·locar el central, posar la tapa del servo i per últim cargolar els
cargols.
Gràfic 60: Tornar a col·locar els engranatges.
42
5. PROGRAMACIÓ.
A continuació parlaré més detalladament de la programació del robot.
5.1 Introducció a la programació amb Picaxe.
Els microcontroladors són els nous "ordinadors d'un sol xip" electrònics, que
estan sent introduïts ràpidament tant en la indústria com en l'educació. El
sistema "PICAXE" és un sistema de programació de microcontrolador
econòmic i molt útil dissenyat per a l'ús educatiu i aficionats dels
microcontroladors.
PICAXE es caracteritza perquè els programes poden ser descarregats
directament al microcontrolador utilitzant un cable connectat al mateix, per tant
no es necessiten equips programadors. El programari d’aquests
microcontroladors és fàcil i gratuït, així es pot treballar amb el projecte des de
casa. Amb el programa que et pots descarregar des de la mateixa pagina de
PICAXE.
Els programes poden crear-se ja sigui gràficament utilitzant organigrames, o
programant utilitzant un llenguatge BASIC senzill inclòs en el programari gratuït
“Programming Editor”.
El Sistema PICAXE està disponible en tres grandàries. La versió de 8 pines,
amb 5 pines d'entrada /sortida; la versió de 18 pines, amb 8 pines de sortida i 5
d'entrada; i la versió de 28 pines amb 8 pines de sortida, 8 d'entrada i 4
entrades analògiques separades.
S'inclou, amb el programari, extensos manuals que expliquen com utilitzar el
sistema, com dibuixar organigrames i utilitzar el llenguatge BASIC, i
instruccions detallades sobre com construir els seus propis circuits.
43
5.1.1 Modes de programació.
El programa gratuït “Programming Editor” és el que utilitzarem per programar el
picaxe.
L’entorn del “Programming editor” permet l’edició i posta en marxa de
programes elaborats de forma textual en llenguatge bàsic o de forma gràfica en
forma de diagrama de flux o diagrama de portes.
Fins i tot, existeixen algunes funcions que permeten la traducció d’alguns dels
sistemes a d’altres. Així per exemple, és possible traduir un programa elaborat
inicialment en diagrama de flux al format bàsic.
Gràfic 61: Modes de programació.
5.2 Programes de proves.
Avanç de tenir el programa definitiu vaig fer moltes probes. Havia de comprovar
que totes les connexions funcionaven correctament avanç de continuar amb
qualsevol error per petit que fos.
5.2.1 Comprovació del programador.
El primer que vaig comprovar que funcionava correctament eren les connexions
entre la placa i l’ordinador.
44
Per fer això, vaig col·locar uns leds a les sortides i vaig enviar un programa que
fes que s’encenguessin durant un segon i després s’apaguessin durant un
segon més. Amb això l’únic que havia de fer era encendre el circuit amb
l’interruptor i si els leds s’encenien volia dir que les connexions entre la placa i
l’ordinador (la part de programació) funcionava correctament perquè feia el que
jo li habia dit.
5.2.2 Comprovació de les sortides.
Un cop comprovada la part de programació necessitava saber si les entrades i
sortides estaven correctament connectades. Al comprovar la part de
programació automàticament també vaig veure que les sortides eren correctes
ja que els leds s’encenien i s’apagaven quan ho havien de fer.
5.2.3 Comprovació de les entrades.
Per últim ja només hem quedava comprovar totes les entrades, per fer això
vaig connectar un final de carrera a una de les sortides i vaig preparar un
programa que quan detectes el sensor s’encengués un led. Per comprovar
totes les entrades vaig anar canviant el sensor de lloc i tots funcionaven
correctament.
5.2.4 Programes de proves de moviments.
Per a comprovar tots els moviments, vaig connectar tots els sensors i els dos
motors. I primerament vaig crear un programa que només hem demostrés tots
els moviments que podia fer.
Aquest és el primer programa que vaig fer per comprovar les entrades i les
sortides:
45
inicio:
if pin1= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
if pin2= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
else
low 7
low 6
pause 2000
high 5
low 4
endif
goto inicio
else
low 5
low 4
pause 2000
high 7
low 6
endif
goto inicio
46
Més endavant vaig anar creant programes per les diferents entrades fins a
obtenir el programa definitiu.
- Per al pin 1 i 2:
inicio:
if pin1= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
if pin2= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
else
high 6
low 7
high 4
low 5
pause 1000
low 5
low 4
pause 500
high 7
low 6
endif
goto inicio
else
high 6
low 7
high 4
low 5
pause 1000
47
low 7
low 6
pause 500
high 5
low 4
endif
goto inicio
- Per al pin 3 i 4:
if pin3= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
if pin4= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
else
high 6
low 7
high 4
low 5
pause 1000
high 4
low 5
high 7
low 6
pause 1000
endif
goto inicio
else
48
high 6
low 7
high 4
low 5
pause 1000
high 6
low 7
high 5
low 4
pause 1000
endif
goto inicio
- Per al 5 i 6:
if pin5= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
if pin6= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
else
high 7
low 6
high 5
low 4
pause 1000
low 5
low 4
49
pause 500
high 7
low 6
endif
goto inicio
else
high 7
low 6
high 5
low 4
pause 1000
low 7
low 6
pause 500
high 5
low 4
endif
goto inicio
5.3 Algoritme del programa.
inicio:
if pin1= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
if pin2= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
if pin3= 1 then
high 7
50
low 6
high 5
low 4
if pin4= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
if pin5= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
if pin6= 1 then
high 7
low 6
high 5
low 4
else
high 7
low 6
high 5
low 4
pause 1000
low 5
low 4
pause 500
high 7
low 6
endif
goto inicio
else
high 7
low 6
51
high 5
low 4
pause 1000
low 7
low 6
pause 500
high 5
low 4
endif
goto inicio
else
high 6
low 7
high 4
low 5
pause 1000
low 5
low 4
pause 400
high 7
low 6
endif
goto inicio
else
high 6
low 7
high 4
low 5
pause 1000
low 7
low 6
pause 400
high 5
low 4
52
endif
goto inicio
else
high 6
low 7
high 4
low 5
pause 1000
high 4
low 5
high 7
low 6
pause 900
endif
goto inicio
else
high 6
low 7
high 4
low 5
pause 1000
high 6
low 7
high 5
low 4
pause 900
endif
goto inicio
53
5.4 Programa principal.
La funció del programa anterior es la següent:
Si el sensor 1 o 2 xoca, el que farà es anar cap a enrere durant un segon i
després la roda dreta girarà en un sentit mentre que la roda esquerra o farà en
el sentit contrari, per fer un gir més ràpid i pronunciat, durant 0.9 segons.
Si el sensor 3 o 4 xoca, el que farà es anar cap a enrere durant un segon i tot
seguit una roda es quedarà quieta i l’altre girarà en el sentit adequat.
Si el sensor 5 o 6 xoca, el que farà es anar endavant i girarà una roda durant
0.5 segons.
54
6. MATERIALS I PRESSUPOST.
MATERIAL CUANTITAT PREU (€) TOTAL (€)
Servo motors 2 11’90 23,80
Connector Jack Stereo 1 0,0689 0,0689
Resistència 10K 5 0,01608 0,0804
Resistència 20K 5 0,01608 0,0804
Led 5 0,01608 0,0804
Resistència 330Ω 5 0,01608 0,0804
Sensors de distancia 3 9 27
Driver L293D 1 2,99 2,99
Portapiles 1 0,519 0,519
Piles 1,5V 6 1,3 7.8
Sòcol 28 pins tornejat 1 0,472 0,472
Interruptor 1 0,378 0,378
Placa per a circuit imprès 1 0,41 0,41
Condensador 100 µF 1 0,0247 0,0247
Regulador de tensió 7805 1 0,193 0,193
Condensador electrolític 330
µF/25V 1 0,0864 0,0864
Condensador electrolític 100
µF/25V 1 0,389 0,389
Claus M3 0,0046 0,0046
Rosques autoblocants M3 0,013 0,013
Separadors hexagonals 1 0,0262 0,0262
Rodes 2 6,9 13,8
Rodes boges 1 4 4
Diode 1N4007 1 0,0173 0,0173
Cables 1,38 1,38
Microcontrolador picaxe 28x 1 7,665 7,665
Serial Download Cable AXE026 1 4,41 4,41
Oscil·lador 1 0,675 0,675
Despeses d’enviament 3
TOTAL: 99,4437
55
Mà d’obra: No té preu.
Per a mi ha sigut un esforç massa dur que seria difícil de pagar.
56
7. CONCLUSIÓ.
Fer aquest treball m’ha servit per a moltes coses.
Fer aquest treball a sigut un continu aprenentatge, des del primer dia ja
començava a aprendre. El primer que vaig aprendre va ser a soldar perquè no
ho havia fet mai. D’aquesta manera també he aprés a fer plaques de circuit
imprès.
A mesura que anava avançant vaig aprendre a programar, cosa que tampoc
havia fet mai i poder conèixer millor les característiques de tots els components
que he necessitat.
Fins al moment havia fet molts treballs però cap d’aquesta magnitud i
importància.
Quan et trobes tu sola davant de tot aquest munt de coses i no saps per on
començar tot se’t fa dur però gracies a aquest treball he vist com he pogut anar
superant tots els problemes que se m’han planteja.
Una de les coses que més m’ha costat ha sigut ser tant constant en el treball.
Quan anava avançant la part pràctica també havia d’avançar la teòrica, això
significava en arribar a casa havia d’escriure tot el que havia avançat. Era estar
cada dia una dedicant una estona al treball perquè que poc a poc l’havia d’anar
avançant. Així que he millorat en aquest aspecte.
M’ha ajudat a millor en la meva responsabilitat perquè com he dit avanç això no
és una cosa que la puguis anar deixant. Si la vas deixant es feina que es va
acumulant i finalment no pots amb tot. Aquest treball també a augmentat la
meva paciència i polidesa perquè per exemple per poder soldar tots els
elements a la placa s’ha de tenir molta cura i paciència, ja sabem que no tot
surt a la primera.
57
8. FONTS D’INFORMACIÓ.
- Per aconseguir els elements elèctrics:
www.ondaradio.es
- Per aconseguir el microcontrolador PICAXE:
http://www.rev-ed.co.uk/picaxe/ (anglès)
http://www.rev-ed.co.uk/picaxe/es/index.htm (català)
- Document PDF amb informació de robots rastrejadors.
Bloc temàtic 1 : Introducció al disseny de robots seguidors i de
minisumo.
Realitzat per: Antoni Moreno Rey i Antoni Hidalgo Ortega.
Bloc temàtic 2 : Conceptes generals d’automatització.
Bloc temàtic 4 : Introducció a la programació amb picaxe.
Realitzat per: Antoni Moreno Rey i Antoni Hidalgo Ortega.
Bloc temàtic 5 : Introducció a la programació basic amb picaxe.
Realitzat per: Antoni Moreno Rey i Antoni Hidalgo Ortega.
Bloc temàtic 6 : Disseny d’un petit robot seguidor amb control analògic.
Realitzat per: Antoni Moreno Rey i Antoni Hidalgo Ortega.
Bloc temàtic 8 : Robot d’altes prestacions: rastrejador i lluitador de
minisumo.
Realitzat per: Antoni Moreno Rey i Antoni Hidalgo Ortega.
58
- Classificació de robots:
http://www.educa.madrid.org/web/ies.alpajes.aranjuez/Web_robotica/tiposrobot
s.htm
