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  • 7/27/2019 Diseno Sistema Robot CER

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    Diseo del Sistema Mecnico y el

    Programa De Control de un Robot Sumode Acuerdo a las Especificaciones del

    CER2009

    Ximena Benavides, Javier Fontalvo, Anglica Jaramillo,Santiago Sandovaln, Felipe Sarche, Mario Vega

    Resumen.- El presente artculo describe

    el funcionamiento del sistema mecnico

    y la lgica de programacin de un

    robot sumo que cumpla con las

    especificaciones previstas para el

    concurso CER2009 de robtica. Se

    muestran las caractersticas principales

    de la constitucin fsica del robot, los

    sensores escogidos para la deteccin del

    robot rival y de los lmites del rea de

    combate y la distribucin y control del

    conjunto conformado por los dos

    motores que impulsan al sistema y la

    fuente de poder. La lgica delfuncionamiento tambin es indicada,

    acompaada por el diagrama de flujo

    del programa de control del sistema.

    IntroduccinEl combate sumo consiste en elenfrentamiento de dos robots, conocidos

    como sumobots, cada uno de los cualesprocura sacar al otro del rea de combate,

    conocida como ring, a la vez que debeevitar el ser sacado de ella por su rival. El

    concurso de robtica CER2009, en cuyasbases se basa el sumobot presentado en

    artculo, define dos categoras sumoliviano con un peso de 3kg+/-10% para la

    categora liviana, y de 3.10 a 4kg para lacategora pesada. En el caso del sumobot

    presentado, este ingresa dentro de la

    categora pesada, con un peso neto de3.66 kg. Las principales preocupaciones

    a la hora de construir un robot sumodeben estar centradas en la eleccin

    correcta de los sensores destinados tanto ala deteccin del adversario como a la

    deteccin del borde del rea de combate,con lo cual se pueden realizar las acciones

    necesarias para evitar el ser sacado deella. Adems debe tenerse en cuenta eltipo de motores que deben utilizarse,

    teniendo en cuenta que el sumobot debe

    ser lo suficientemente potente paraimpulsar al contrario fuera del ring yadems poseer la capacidad para frenar

    con la suficiente rapidez y eficiencia alllegar al borde sin salir del rea de

    combate. Debe tomarse en cuenta tambinque el robot debe ser totalmente

    autnomo, por lo que la fuente de energadebe estar integrada en el sistema

    mecnico. Con todo lo especificadoanteriormente debe corresponder la lgica

    que gobierna el comportamiento del robotsumo, lo que lleva a una de las acciones

    ms importantes en el diseo de unsumobot: la programacin del sistema

    microprocesado. El programa de controldel robot debe contemplar las acciones de

    ataque y evasin, el retorno desde elborde hacia la pista al detectar el borde

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    blanco que limita al ring as como otras

    acciones adicionales tales como el tiempode seguridad, en el caso de la competicin

    de 7 segundos.

    Sistema mecnico

    El robot est formado por una carcasa deacero inoxidable, de medidas 25cm de

    largo, 20 cm de ancho y 15 cm de altura.A partir de los 20 cm de largo se coloca

    una plataforma inclinada 45 y elevadadel suelo 2 cm, lo que permite

    incrementar la efectividad del golpe a lavez que disminuye los efectos de un

    ataque frontal por parte del sumobotcontrario.

    El sumobot es impulsado mediante dosmotores, cada uno de los cuales se

    encarga de manejar un lado del robot. Ladisposicin de los motores se muestra en

    la figura 1.

    Figura 1. Distribucin de los motores en

    el sumobot

    Los motores utilizados en el robot sonmotores de DC de 4V y 3A, usados en

    taladros pequeos, con los cuales seobtiene una potencia alta: 8W lo que se

    traduce en un alto torque en los ejes delas ruedas logrando con esto el impulso

    suficiente para sacar al rival de la tarima.La velocidad de los motores DC es de

    295 rpm con la caja reductora, lo quesignifica una rapidez del sumobot alta.

    Por construccin los motores vienen

    acoplados a una caja reductora, conjuntoque le confiere al eje la caracterstica de

    necesitar una alta potencia para moverlo,esto permite el evitar la construccin de

    un circuito de freno regenerativo, quehubiera sido necesario de usar otro tipo de

    motor, pues los motores al detenerse nopresentan inercia con lo que no es

    necesario regresar energa del motor a larespectiva batera. Los motores son

    alimentados mediante dos bateras de14.4 V, propias de los taladros, colocadas

    sobre la cara superior de una superficieque se halla dividiendo el compartimiento

    interno del sumobot, ambas baterasaseguran un tiempo de autonoma para el

    robot de 45 minutos. El control de losmotores se realiza mediante un puente H,

    que trabaja con dos seales de controlpara invertir el giro de los motores, una

    seal PWM para el control de lavelocidad y dos seales para el sensado

    de corriente lo que permite realizar uncontrol proporcional de la velocidad del

    motor, con lo que se cambia la potenciaen funcin de la seal PWM.

    El circuito correspondiente al puente Hest conformado por dos rels para la

    inversin de giro, el microcontroladorenva una seal de 5V al terminal

    normalmente abierto de los relscambiando la polaridad de los bornes del

    motor DC. Con el uso de los rels sepuede manejar una mayor cantidad de

    corriente que en el caso de lossemiconductores de potencia. El chopeo

    se realiza mediante un TIP145, transistorDarlington de potencia. El sumobot

    presenta una velocidad normal en unancho de pulso del PWM de 227 de unmximo de 255, velocidad con la que el robot

    ataca a su rival. Adems se incluyen dos

    ventiladores de 8V que sirven para elcontrol de temperatura de los transistores

    de potencia. El diagrama circuital y laplaca con el circuito se pueden observar

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    en las figuras 2 y 3 respectivamente. Para

    la deteccin del sumobot rival seutilizarn dos sensores ultrasnicos del

    tipo SFR05, que presentan comocaractersticas principales un rango de

    deteccin de 4m, estn compuestos cadauno por dos elementos, un emisor que

    transmite 8 pulsaciones despus de que laentrada del sensor recibe una seal de

    disparo (trigger) de por lo menos 10 ms, yun receptor que recibe la seal de eco que

    se obtiene del choque entre los pulsosenviados y el objeto detectado.

    Figura 3. Circuito para el puente H y el

    semiconductor para el chopeo

    Hay dos modos de funcionamientobasados en distintas conexiones: una con

    el uso de dos pines para emisin y paratransmisin respectivamente, y otra que

    recibe la seal de eco por el mismo pin deenvo de pulsos. El sumobot diseado

    utiliza la segunda forma de conexin,para mejorar la disponibilidad de espacio.

    La salida del sensor se halla normalmente

    en bajo, cuando se envan los pulsos estase pone en alto y al recibir el eco vuelve a0L, lo que significa que la entrada del

    microcontrolador debe estar configuradapara activarse por flanco de bajada; la

    salida del sensor presenta un anchoproporcional a la distancia a la que se

    halla el objeto detectado. El uso de estos

    sensores permite detectar cualquier

    material, que el color no sea uncondicionante lo que representa una

    ventaja por sobre los sensores infrarrojosadems de presentar un rango alto de

    deteccin con lo que se reduce el nmerode sensores a utilizarse. Es recomendable

    conseguir los sensores acondicionados, loque permite ahorro de espacio al interior

    de la carcasa. En las figuras 4 y 5 sepueden observar al sensor ultrasnico

    SRF05 distintas vistas del sensorultrasnico, solo y acoplado a la carcasa

    del sumobot.

    Figura 4. Sensorultrasnico SRF05

    Figura 5. Vista frontal del sumobot, se

    puede observar la disposicin de lossensores ultrasnicos

    La siguiente cuestin a tratarse es la

    deteccin de la lnea blanca que delimita

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    el rea del ring, para lo cual se han

    escogido sensores infrarrojos QRD1114;tras la deteccin del color blanco entregan

    un 0L, el cual pasa a travs de unSchmitt-trigger inversor realizado con un

    integrado CD40106B, este circuitoasegura que la seal entregada no flucte

    debido al paso del lmite y mantenga suvalor dentro de un rango especificado

    mientras el robot ejecuta la accinindicada en la programacin; puesto que

    la salida del sensor se invierte con elSchmitt-trigger, el pin de entrada del

    microcontrolador debe estar configuradopara trabajar con un 1L.

    Lgica de funcionamiento

    El sumobot acta de la siguiente manera:una vez activado el interruptor, espera el

    tiempo de seguridad definido, tras lo cualactiva los motores, permaneciendo

    siempre en movimiento a la vez empiezaa barrer los pines conectados a los

    sensores infrarrojos, que se hallandispuestos como lo muestra la figura 6 al

    interior de la carcasa del robot, donde lossensores infrarrojos van del S1 al S6 y los

    sensores ultrasnicos son U1 y U2. Elmomento en que uno de los pines

    conectados a los sensores infrarrojosentrega un valor de 1L, el robot debe

    accionar los motores de tal manera que sealeje de la lnea blanca del borde del ring

    realizando los movimientos de acuerdo ala siguiente lista en funcin del sensor

    que se active, con respecto a la figura 2:

    y S1: hacia atrs y luego hacia laderecha.

    y S2: hacia atrs y luego hacia laizquierda.

    y S3: hacia adelante y hacia y luegohacia la izquierda.

    y S4: hacia delante y luego hacia laderecha.

    y S5: Hacia atrs.

    y S6: Hacia delante.

    Se debe recordar que todas las accionesde movimiento del sumobot son

    realizadas mediante el control en el

    programa del ancho de pulso de la sealPWM enviada a cada uno de losrespectivos motores. Por ejemplo para

    realizar el movimiento hacia atrs oadelante (definido por el valor dirigido al

    puente H) y luego enviar una seal PWMcon el mismo valor de ancho de pulso a

    ambos motores. El giro hacia la izquierdao la derecha se lo realiza en cambio

    colocando en uno de los motores unPWM de un ancho de pulso menor (o

    mayor) al del otro.

    Figura 6. Esquema de disposicin de lossensores en el sumobot

    Los sensores ultrasnicos envan sealesque actan dentro de funciones que se

    referencian como interrupciones dentrodel programa. Los dos sensores se hallan

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    dispuestos en la parte frontal de la carcasa

    del sumobot, como se indica en la figura2, con U1 y U2. El sumobot utiliza las

    seales de los dos sensores para ubicar demanera muy exacta la posicin del robot

    rival, para atacar al robot rival el sumobotprimero toma la posicin de ste

    mediante los dos sensores ultrasnicos,moviendo los motores hasta que el robot

    se halle frente al contrario, momento enque acelera, aumentando el ancho de

    pulso del PWM hasta su valor mximo de255; si el robot rival vara su posicin, el

    sumobot la vara de igual maneramientras acelera. Si solo uno de los

    sensores ultrasnicos detecta al rival, serealizan los giros necesarios del robot

    hacia la posicin indicada por el sensorhasta obtener tambin seal del segundo

    sensor ultrasnico, tras lo cual acta de lamanera antes explicada. El control es

    realizado por un microcontroladorATMEGA16 de la familia ATMEL, que

    es ptimo para los requerimientos delsistema del sumobot. El diagrama de flujo

    del programa utilizado en el sumobot sepresenta a continuacin.

    La siguiente subrutina representa lainicializacin de variables.

    El microprocesador lee los pines

    asignados a los sensores infrarrojos demanera continua en forma de barrido, lo

    que constituye el cuerpo del programa,como se observa en la secuencia

    siguiente:

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    La lectura de las seales entregadas porlos sensores ultrasnicos se halla dentro

    de una funcin en el programa, de maneraque dicha seal genera una accin similar

    a una interrupcin para entregar larespuesta del microprocesador ente la

    misma.

    Conclusiones

    y Los sistemas microprocesados

    representan una til herramienta para

    probar el ingenio del programador enel control electromecnico medianteaplicaciones de robtica como en el

    caso de la lucha de robots sumo.

    y La implementacin de un sistema de

    control con microprocesadores debepresentar una similitud de exigencia

    similar entre el programa de control yel sistema mecnico, de manera quela aplicacin constituya un sistema

    completo y eficiente.

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    y El sistema motor que mejor se adaptaa las exigencias de un sumobot es el

    de motores DC, pues en sta

    aplicacin se busca que el robot actecon rapidez y potencia en la

    bsqueda y ataque a su rival como en

    la evasin cuando est siendo sacadode la tarima.

    y El uso de sensores de presencia para

    la deteccin del rival permite al robotabarcar amplias distancias adems derealizar la deteccin de cualquier

    objeto sin importar elementos que

    podran intentar confundirle como elcolor del otro sumobot.

    y En esta aplicacin, mientras mayor es

    el nmero de sensores que se utilizanmayor es la capacidad del sumobot

    de responder de mejor manera ante

    un ataque as como de atacar con

    mayor eficiencia.

    Referencias Bibliogrficas

    [1] BARRIENTOS, Antonio, Fundamentos

    de Robtica, Universidad Politcnica deMadrid, McGraw-Hill, Mxico D.F.,1997.

    [2] BORENSTEIN, Johan, Where Am I?Sensors and Methods for Mobile Robot

    Positioning, The University OfMichigan, 1996.