Fundamentos de Robótica

Contenido General

1. Introducción a la robótica

2. Morfología del robot

3. Diseño y prototipo de un robot

4. Sensores

5. Mecánica del robot

6. Motores

7. Poder

8. Programando el robot

Sensores

Sensores de fuerzaSensores de sonidoPosición y orientaciónSensores propioceptivos

Sensores

Sensores de fuerzaSe los puede usar para determinar cuando el robot entra en contacto con otro objeto y donde está el objeto en relación con el robot. Tal información permite al robot maniobrar evitando colisiones.

Microswitches Son interruptores pequeños y momentáneos (botoneras) que pueden ser fijados al parachoques (bumper) del robot para indicar si este entra en contacto con un obstáculo.

Sensores

Microswitches

Conexión directa: Cada pin del puerto E es usado para cada switch. Fácil de entender e implementar, pero se usan muchas líneas de entradas del microcontrolador.

Sumador de resistencias: Una red de resistencias es usada para crear diferentes voltajes en el pin de entrada del microcontrolador. Se requiere un conversor A/D para que el microprocesador entienda la señal, pero se utilizan menos líneas de entrada

Sensores

Sensores de curvatura (bend sensors, flex sensors)Estos dispositivos usan una tinta conductiva entre dos electrodos para dar una resistencia variable, dependiendo del grado de curvatura.

Sensores

Sensores de detección de fuerza (Force-sensing resistors)Basados en tinta conductivaCambia en varios órdenes de magnitud Típicamente usados para medir presión en grippers y pies de robots

Sensores

Regla de goma (rubbery ruler)Sensor en desarrollo que mide cambios a lo largo del mismo.Compuesto por dos cables no conectados enrollados lado a lado en una sola capa en un tubo elástico. Los alambres forman las placas de un capacitor.

Sensores

Sensores de sonido

MicrófonoTípicamente debe ser amplificada antes de que sea leída por el uC. Puede requerir un microprocesador para procesar señal de micrófono. Puede estar detectando su propio sonido proveniente de los motores.

Sensores

Sensores de cinta piezoeléctricos (piezoelectric film sensors) Sensor cuyo material es notablemente versátil y barato (fluoruro de polivinideno). Apropiadamente configurado, el mismo material puede ser usado para detectar vibraciones, esfuerzo, cambio de temperatura y radiación infrarroja distante.

Sensores

Posición y orientación Determinan en que lugar se encuentra un robot con relación al medio que lo rodea.Uso de dead-reckoning (odometría): Calcular posición y orientación actual en base al último valor conocido y al último cambio realizado.

Sensores

Codificadores del eje (shaft encoders) Un codificador del eje es un sensor que mide la posición o tasa de rotación de un eje.

SensoresVentajas sencillez y bajo costo

Desventajas acumulación de errores deslizamiento lateral (lateral slip), patinaje (slipping / sliding) y contacto superficial variable

Sensores

Giroscopios y acelerómetros ( Navegación inercial)Sirven para realizar la mediciones de aceleración y rotación. Los giroscopios y acelerómetros mecánicos usan el principio de conservación del momento lineal y angular para mantener uno o más ejes internos en la misma posición y apuntando en la misma dirección.

Sensores

IMU (Inertial measurement unit)Miden la dirección y magnitud del movimiento.Integran acelerómetros y giroscopios

Sensores

Sensores de inclinación (tilt sensors)Proveen información acerca del ángulo relativo entre el cuerpo del robot y el vector de la gravedad. El sensor de inclinación más simple y barato es el interruptor de mercurio. Este sensor consiste en una pequeña bombilla de cristal conteniendo dos o más contactos y una gota de mercurio

Sensores

Brújulas (compasses)Una brújula provee a un robot de un medio para adquirir la información absoluta acerca de su orientación. Esto puede ser de mucha ayuda cuando se tienen algoritmos de navegación. En áreas abiertas, las brújulas son muy confiables, pero en áreas cerradas, la funcionalidad se ve afectada debido a los campos magnéticos del cableado, las estructuras de acero en los edificios, y aún los componentes metálicos del robot pueden producir graves errores en la toma de su lectura.

Sensores

SonarEl sonar es un sensor basado en el tiempo de vuelo de una señal de ultrasonido que es transmitida continuamente en forma de pulso, la cual es captada de nuevo al chocar con algún objeto y rebotar. Mediante física elemental, la distancia al objeto es determinada multiplicando la velocidad de la onda por el tiempo que le toma en recorrer la distancia.

Sensores

Ventajas Reducido costo y una elevada velocidad de respuestaDesventajas falsas lecturas Solucion: utilizar varios sonares dispuestos en forma de anillos.

posibles interferencias con otros sonares (Crosstalk)

Sensores

GPSCompuesto por 24 satélites orbitando alrededor de la tierra que envían señales RF codificadas con información de identificación.Un receptor colocado en el robot recibe señales de los distintos satélites, la estimación de la posición se la realiza a partir de las posiciones de los satélites y midiendo el tiempo que ha tardado la señal en llegar al receptor.

En el sistema GPS el gobierno de EUA ha introducido de forma intencional pequeños errores en el tiempo y posición de los satélites para prevenir que sean utilizados para dirigir armas de otras naciones. Este error intencional es denominado disponibilidad selectiva (SA)

Sensores

Para evitar errores de SA se utiliza un sistema de GPS diferencial (DGPS) que funciona en base a un trasmisor cercano con una posición conocida.

La ventaja de los Sistemas GPS es la precisión que ofrecen para grandes áreas, en su forma básica tiene una precisión del orden de 100 m y en forma diferencial hasta de 1 m. Además que es un método que ofrece una localización absoluta en áreas realmente grandes sin requerir estructuración del entorno.Las desventajas se dan por el bloqueo de señales en zonas de difícil recepción, los GPS y DGPS suelen fallar en áreas urbanas debido al efecto de valle que se produce a causa de edificios altos y árboles. No es posible usar este sistema con exactitud en edificios, subsuelo y bajo el agua, tampoco en bosques densos ni entre edificios altos.

En la actualidad Europa esta desarrollando una contraparte para el GPS: el proyecto se llama Galileo

Sensores

Sensores propioceptivosMiden el estado interno del robot. tiempo de recargar baterías, sobrecalentamiento, falla en algún componente, etc.

Detección del nivel de batería (battery-level sensing)Sensando su voltaje de batería, un robot puede determinar cuando es tiempo de retornar a la estación de recarga o disminuir las operaciones de alto consumo de energía.

Sensores

Detección de la corriente de parada (stall current sensing)Una manera confiable para determinar si un robot está atascado es monitorear la corriente usada para manejar los motores. Si los demás sensores fallan en detectar una colisión inminente, el robot quedará pegado contra el obstáculo. En esta situación, las llantas dejarán de girar mientras la corriente en los motores crecerá a su máximo valor. Así, la corriente del motor sirve como detector de colisiones como último recurso. Una manera para detectar la corriente del motor es colocando un pequeña resistencia en serie con el motor, amplificar el voltaje a través del resistor y medir el voltaje con uno de los canales A/D.

Para detectar una colisión , el software que monitorea la corriente en el motor no debería responder muy rápidamente. Cada vez que el robot acelera desde un punto muerto, la corriente en el motor crecerá a un valor máximo, luego decrecerá a medida que el robot aumenta de velocidad.

Sensores

TemperaturaA menudo es una buena idea monitorear ciertas temperaturas dentro del robot. Si los circuitos electrónicos se ponen muy calientes, el microprocesador puede dañarse. Las altas temperaturas pueden además reducir la vida de los motores, y las baterías de NiCd pueden dañarse por el calor.