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Robot GusanoElaborado por Christian Miñano Lozano

Universidad Católica Los Angeles de ChimboteCurso: Proyectos de Control

Docente: ING. MSC. RIGO FELIX REQUENA FLORES

Resumen- El presente proyecto apunta a implementar un robot gusano basado en la utilización de servomotores y diversas secuencias de control. El robot se desplazará con movimiento zigzagueante o con movimiento giratorio. El robot gusano podrá ser utilizado en espacios y ambientes difícilmente accesibles por el ser humano, ya sea por su peligrosidad o por su tamaño. Para el desarrollo del proyecto se requirió investigar procesos de control de servomotores y módulos de comunicación inalámbrica. Asimismo se trató de buscar siempre una adecuada armonía entre software y hardware, a fin de que las secuencias de desplazamiento sean óptimas. El robot está conformado por ocho eslabones. Entre dos eslabones yacen ubicados los servomotores

ó “articulaciones” del gusano. El sistema es conformado por dos partes bien definidas: el robot gusano en sí y una computadora. Esta última permitirá el control a larga distancia mediante el envío de secuencias de control a través de una tarjeta de comunicación inalámbrica. La señal es recibida por otro módulo inalámbrico ubicado en la tarjeta de control del robot gusano. La información es luego enviada al microcontrolador que actúa como el “cerebro” del robot. El proyecto involucra el desarrollo de diversas aplicaciones en Borland C++ Builder 6.0, diseño de un programa para el microcontrolador en el compilador PICC, uso de las interfases de comunicación USB 2.0, etc.

Palabras claves- Robot modular, robot gusano, explorador, robótica, PIC, microcontrolador, PWM, inalámbrico, programación C++, servomotores .

I. INTRODUCCIÓN

l presente proyecto apunta a desarrollar e implementar un robot gusano (diseño, construcción y desarrollo de hardware y software), el cual, como su nombre lo

dice, simulará el movimiento de estos invertebrados. El prototipo realizará trayectos rectos sin la utilización de ruedas y/o patas. Para ello se utilizarán modelos matemáticos que permitirán un movimiento similar al del mencionado animal. Las secuencias de desplazamiento serán automáticas controladas por medio

de microcontroladores, los cuales definirán los pasos a seguir.

II. OBJETIVOS

Diseñar y desarrollar un robot gusano controlado a distancia, para desplazamientos zigzagueantes y rectilíneos.

Comprender el desplazamiento a simular y las posibles secuencias de control de movimiento.

Desarrollar un robot eficiente en lo referente al consumo de energía.

Diseñar un sistema de comunicación inalámbrico confiable que permite un adecuado mando a distancia.

III. JUSTIFICACIÓN

El desarrollo del robot tipo gusano constituye una alternativa para mejorar el desplazamiento de los robots en caminos con desniveles y de relieve irregular.

Al comparar el desempeño del robot gusano con otros esquemas de desplazamiento (por ejemplo un carro telecomandado), se observa que el gusano brinda una mayor flexibilidad para las diferentes superficies. Por ejemplo, en una superficie plana, se podría adoptar la forma de rueda y avanzar a mayor velocidad; para superficies irregulares (escombros) se podría utilizar el movimiento zigzagueante.Para el caso de una escalera se podría crear una secuencia para que suba o baje de la misma.

IV. APLICACIONES

Entre las aplicaciones directas se encuentra la industria minera y la industria de gases. En este caso, el reducido tamaño del robot lo hace apropiado para trabajar en la verificación de daños de tuberías; teniendo ventaja sobre sistemas similares debido a su desplazamiento.Podría ser utilizado también como equipo de rescate añadiéndole una cámara para lograr trasmitir información de sitios en derrumbe o no accesibles para el ser humano.

V. DESARROLLO DEL PROYECTO

A. Movimiento Zigzagueante

El principal objetivo es que el robot logre desplazarse de un punto a otro en línea recta mediante el movimiento de onda simple continua. Esto será conseguido través del movimiento coordinado que haga entre sus eslabones, los cuales tendrán como articulaciones a un conjunto de servomotores.

Los movimientos coordinados se generarán mediante la ayuda de modelos teóricos matemáticos y de estabilidad. Con ello se pretende en principio que la simulación del desplazamiento del gusano sea lo más óptimo. En la Fig. 1 se muestra el movimiento de onda simple, el cual en última instancia no fue utilizado porque se decidió por el movimiento de onda completa (Fig 2).

se fijará el eje de los servomotores; además posee unos agujeros en la parte posterior para la unión con las demás partes (las cuales serán unidas con tornillos).

Fig. 3 Simulación del control de servomotores

Fig. 1 Movimiento de onda simple

Fig. 2 Movimiento de onda completa

Para el control de los servomotores se generó un programa en el PIC 18F4455 para la generación del 16 PWM. El programa fue primero simulado en el PROTEUS (ver Fig. 3) Luego de elegir la secuencia a desarrollar y de generar la señal para el control de los servomotores, se realizó un programa s encillo para controlar el movimiento servo a servo. Todo esto fue previo al acople con las piezas metálicas. La Fig. 4 muestra el ambiente visual del primer software que se realizó.Las piezas mecánicas fueron desarrolladas en el software SolidWorks puesto que es un software sencillo de utilizar debido al gran número de herramientas para el diseño de piezas que posee. En la Fig. 5 se pueden apreciar las partes que compondrán al robot gusano; estas tienen un número determinado de agujeros en la parte delantera, a los cuales

Fig. 4 Interfase de Control - Robot Gusano

Luego de diseñar las piezas mecánicas se procedió a buscar el material a utilizar. Se llevaron en cuenta como el peso, el costo, facilidad de uso y adhesión, etc. El material elegido finalmente fue el acrílico.El control del robot gusano se realizó a través del microcontrolador PIC 18F4455, debido a sus buenas características de velocidad.Con estas consideraciones se procedió a diseñar la tarjeta de control de los servomotores. La tarjeta desarrollada presenta un conector un DB9 para ser conectada a la computadora vía puerto serial. Asimismo presenta ocho conectores para los servomotores; además de llevar un molex para su alimentación de 5 voltios.

Se desarrolló también un software que a partir de los parámetros de la onda de movimiento genera automáticamente los ángulos, además muestra el movimiento del robot gusano y las velocidades de cada servomotor (ver Fig. 6).Para hacer las pruebas de velocidad y desplazamiento se realizó otro programa (ver Fig. 7), el cual mediante barras,

bb

Fig. 5 Vistas de las piezas mecánicas. (a) Piezas internas, (b) Vistas de las piezas internas, (c) Pieza de la cabeza, (d) Pieza de la cola, (e) Vistas de la pieza de la cola

Fig. 6 Programa de obtención de ángulos para cada servomotor

Fig. 7 Programa diseñado para pruebas de velocidad con los ángulos obtenidos

Fig. 8 Diagrama de bits para la escritura de la memoria 24LC16B.

Fig. 9 Diagrama de bit s para la lectura de la memoria 24LC16B.

permite variar los parámetros del robot. De esta manera se logró obtener la mayor velocidad en el desplazamiento del modo gusano.

B. Trabajo de las rutinas y ángulos en memoria

EEPROM

En primera instancia se tuvo que realizar una exhaustiva investigación sobre la unidad de almacenamiento que se utilizaría para guardar los ángulos de los servomotores. Esto debido a que se requería mayor espacio de memoria que la que podía ofrecer la EEPROM interna del microcontrolador. En las Figs. 8 y 9 se muestran los modos de lectura y escritura de la memoria EEPROM elegida 24LC16B.

Para el manejo de escritura y lectura de la memoria se utilizó el software WINPIC800 (ver Fig. 10) para grabar las secuencias de los ángulos en la memoria; por este mismo medio también se puede leer los datos almacenados.

C. Control a larga distancia – Módulos X-BEE

Luego de comprender el funcionamiento, la estructura y los modos de operación de la memoria; se procedió a investigar los módulos de Ra diofrecuencia XBEE, los cuales fueron utilizados para la comunicación con el robot gusano a larga distancia. En la Fig. 11 se muestra el modo de operación en una comunicación inalámbrica con los módulos de X-BEE.

D. Diseño de nuevas tarjetas de control

En base a los conocimientos adquiridos con respecto a los nuevos dispositivos a utilizar (EEPROM 24LC16B y módulos RF XBEE), se procedió a diseñar las nuevas tarjetas electrónicas de control. Para ello se desarrolló una nueva tarjeta de control de los servomo tores, a fin de agregar el modulo RF y la memoria externa. Asimismo se procedió a eliminar el DB9 para la comunicación serial vía cable (ver Fig. 12).

Se desarrolló también la tarjeta de comunicación inalámbrica para la PC, la cual irá conectada a la computadora con el otro módulo XBEE (ver Fig. 13).

E. Movimiento Giratorio

Para generar el movimiento giratorio, se requirió de expandir al robot gusano. Esto debido a que el número de piezas no permitían generar una forma circular; es por ello que se adic ionaron tres piezas mecánicas para aumentar tres articulaciones.Cabe destacar que se retiraron las piezas de soporte superior, ya que se requería un mayor rango de ángulos para la formación de un polígono cerrado.

Por otro lado, se investigó también el movimiento circular que simula el movimiento de una rueda. Se requirió consultar información sobre teoría de polígonos y ángulos internos (ver Fig. 14).

Fig. 10 Modo de grabación de los datos en la memoria vía WINPIC800.

Fig. 11 Modo de operación de los módulos XBEE.

Fig. 12 Nueva tarjeta de control del Robot Gusano

Fig. 13 Tarjeta de comunicación a larga distancia

Variación FrecuenciaResultado( V. en

cm/s)

25 0.4 No gira

25 0.6 No gira

25 0.8 No gira

30 0.4 8.5

30 0.6 12.3

30 0.8 Inestable

35 0.4 9

35 0.6 13

35 0.8 15.3

40 0.4 8.7

40 0.6 12.3

40 0.8 18.3

45 0.4 8.3

45 0.6 14

45 0.8 17.6

Fig. 14 Vista de polígonos y sus ángulos internos.

El primer programa realizado se basó en una estructura elíptica para la formación del polígono cerrado. Para esto se consultaron textos académicos sobre excentricidad y focos de la figura mencionada. Se tuvo como parámetros variantes a la excentricidad y la velocidad angular. En la Fig. 15 se aprecia el primer programa que se realizó para la obtención de los ángulos para el modo rueda.

La Tabla 1 muestra los resultados de las pruebas de velocidad y desplazamiento para la forma de rueda.

Tabla 1. Pruebas de desplazamiento y velocidad de la rueda.

Fig. 15 Primer programa para simulación y obtención de ángulos.

El segundo programa tuvo como base el cambio de ángulos internos del polígono y fue generado debido a fallas con el primer programa. Se presentaban fallas como dificultades a la hora de girar, ruptura de piezas debido a ángulos muy cerrados, etc. Entre las características principales de este programa se tiene el número de lados a simular y la variación de ángulos a generarse.

Fig. 16 Segundo programa para simulación y obtención de ángulos.

La secuencia utilizada es la 40/0.8. La Tabla 2 muestra los valores de corriente obtenidos de las pruebas de velocidad y desplazamiento en modo rueda.

Tabla 2. Valores de corriente en modo rueda

Corriente pico Corriente promedio

1.5 A

1.2 A

VI. RESULTADOS

Se consiguió obtener el desplazamiento rectilíneo del robot (Fig. 17). Para ello se hizo uso de cinco servomotores que hacían las veces de las articulaciones del apodo.Se realizaron pruebas de velocidad variando parámetros, de longitud de onda, amplitud y frecuencia. La velocidad máxima alcanzada fue de 5.1 cm/s (recorriendo 20.5 centímetros en 4 segundos). La corriente máxima, la cual refiere a la máxima velocidad del gusano, es de 2 Amperios. El producto final de esta etapa tuvo como interfase de control a una computadora, la cual enviaba al microcontrolador los ángulos en los cuales debía posicionarse cada servomotor. Se logró la máxima resolución permitida por la señal de control PWM. La computadora enviaba la información cada 20 milisegundos, (ciclo de trabajo de los servomotores) obteniendo así movimientos menos bruscos.Cabe mencionar que además de desarrollar los trayectos rectos simulando el movimiento del gusano, este también logra desplazarse por superficies irregulares y con desniveles; situación que lo hace ventajoso con respecto a otros robots exploradores.

Fig. 17 Robot gusano en desplazamiento rectilíneo

Para la segunda etapa se le añadió la forma de desplazamiento en forma de rueda (ver Fig. 18).La secuencia de ángulos que generan los movimie ntos se guardó en una unidad de almacenamiento

con comunicación I2C. Dicho dispositivo permitió desarrollar las pruebas de movimiento y posteriormente ajustar y afinar los datos.Se le incorporó también módulos inalámbricos de manera que el robot gusano sea comandado a larga distancia.Se utilizaron directivas simples como avanzar, retroceder y cambiar parámetros. El robot leerá los datos de la memoria, generará la señal de control y confirmará la secuencia al usuario.

Fig. 18 Robot gusano en desplaz amiento circular

Finalmente en la Fig. 19 se aprecia el ambiente visual del software de control a distancia del robot gusano, con el que se controlan las distintas secuencias de movimiento a través de la PC .

VII.- CONCLUSIONES

Se descubrió que los problemas de movimientos bruscos del gusano se evitan calibrando adecuadamente el parámetro de longitud de onda.

Fig. 19 Programa de control del robot con joypad.

Esto debido a que a menores longitudes, el robot sólo tiene un punto de contacto con la s uperficie y como consecuencia movimientos violentos en los extremos.

Se logró comunicar el microcontrolador vía los módulos XBEE con comunicación inalámbrica, además de cargar los datos de la memoria 24LC16B. Se produjeron complicaciones con la simulació n de la comunicación entre el microcontrolador y la EEPROM externa con el software Proteus, debido a que se necesita variar algunos parámetros de tiempo.

Se determinó que el parámetro principal para obtener un polígono regular cerrado es la sumatoria de las medidas de los ángulos internos y no la longitud de los lados.

Se procedió también a retirar la pieza de la cola y el último servomotor, a fin de que se evite dañar alguna pieza por el movimiento brusco del robot. Para generar el movimiento ideal, el rango de variación de ángulos se fija en 40. De esta manera se logra el giro de la rueda.

VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] MICROCHIP. “Lider en tecnologia referente a microcontroloadores”. 2007 [ www.microch i p.co m]

[2] TOWER PRO. Servomotores analogicos y digitales.2007 [ www.towerpro.cn ]

[3] CCS PCW Compiler. 2007 [www. cc sinfo . c om / ]

[4] Club de Robótica Autónoma de la EUPMt. 2006 [ www.eupmt.cat/cr a ]

[5] Modular Robotics: Chain. 2007 [ http://www2.parc.com/ spl/projects/modrobots/chain/i ndex.htm l ]

[6] Microbots Articulados. 2007[ http://www.microbotica.es/web/artic.ht m]