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Documentación de Bípedo en Formato "APA"
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Documentación de Bípedo en Formato "APA" Documentación de Bípedo en Formato "APA" Document Transcript

  • i INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CULIACÁN Ing. Mecatrónica Seminario de Mecatrónica Horario: Jueves de 10:00 A.M. a 12:00 P.M. Evaluación Unidad 1 DOCUMENTACIÓN EN FORMATO “APA” “Construcción de un Robot Bípedo Basado en Caminado Dinámico” Presentado por los alumnos: Armenta Alba Abraham Brown Salazar Miguel Angel Camacho León Héctor Eduardo Ochoa Silva Francisco Javier Piña Soto Diego Maestro: Ing. José Ángel Alcaraz Vega Culiacán, Sinaloa; México. 11 de Diciembre del 2013.
  • ii
  • iii AGRADECIMIENTOS Al Instituto Tecnológico de Culiacán por la formación académica que nos otorgó en el transcurso de nuestra carrera de Ing. Mecatrónica. A nuestros compañeros y maestros de generación (2009 - 2014), por compartir más que sus conocimientos y experiencias propias. Al Ing. José Ángel Alcaraz Vega por su apoyo y tiempo brindado para este trabajo así como también para la revisión del mismo. A nuestras familias porque siempre estuvieron ahí para apoyarnos perpetuamente. Y finalmente a Dios, por permitirnos haber vivido esta experiencia.
  • iv RESUMEN En este proyecto de investigación se presenta el diseño y construcción de un robot bípedo basado en caminado dinámico, capaz de caminar a bajas velocidades. El objetivo principal es la asimilación de tecnología en el tema de robots de caminado dinámico, por lo cual, se construyó un prototipo dentro del Club de Robótica que conforma parte de las instalaciones del Instituto Tecnológico de Culiacán, fue realizado gracias a un equipo conformado por 5 alumnos cursantes de la carrera de Ing. Mecatrónica del 9vno semestre en el periodo de Agosto-Diciembre del año 2013. El motivo por el cual se realiza esta investigación es para tener un punto de partida en el desarrollo de robots bípedos y prótesis humanas. También se analizó la cadera del robot para conocer el peso máximo que puede soportar la estructura. Se simuló el robot virtualmente mediante el software computacional de SolidWorks para comprobar que la estructura mecánica no presentara problemas al momento de mover las articulaciones. El robot se construyó bajo un enfoque mecatrónico; cuenta con parte mecánica, electrónica y programación. El prototipo que se realizó cuenta con ocho grados de libertad, dos en los tobillos, dos en las rodillas, dos en la cadera y dos rotacionales para poder que gire la estructura del mismo robot si se llegase a enfrentar con un obstáculo. La conclusión que se obtuvo de este trabajo de investigación es que los robots bípedos están en una etapa de crecimiento ya que relativamente no hay mucho enfoque en cuanto a su investigación así como también documentación misma, es por ello que tienen muchos
  • v aspectos a mejorar. Se concluyó que se pueden desarrollar este tipo de tecnologías y avanzar en la investigación de los robots bípedos de caminado dinámico en México.
  • vi ABSTRACT In this research project presents the design and construction of a biped robot based on walked dynamic, able to walk at low speeds. The main goal is the assimilation of technology in the field of robot dynamic walking, so a prototype within the Robotics Club which forms part of the facilities of the Technological Institute of Culiacan, was conducted by a team made was built by 5 trainees students career Engineer Mechatronics 9vno semester period from August to December 2013. The reason why this research is carried out is to have a starting point in the development of bipedal robots and human prostheses. Hip robot was also analyzed for the maximum weight that can support the structure. The robot was simulated by computational virtually SolidWorks software to verify that the mechanical structure does not present problems when moving the joints. The robot was built under a mechatronic approach; has mechanics, electronics and programming part. The prototype was made with eight degrees of freedom, two ankles, two knees, two hips and two rotational to rotate the structure of the robot if you were to face an obstacle. The conclusion was obtained from this research is that bipedal robots are in a stage of growth and relatively not much focus in their research as well as documentation itself, that is why we have many things to improve . It can be concluded that these technologies develop and advance research of dynamic bipedal walking robots in Mexico.
  • vii
  • CONTENIDO viii CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1 1.1. Objetivos ..................................................................................................................... 2 1.1.1. General ................................................................................................................. 2 1.1.2. Específicos ........................................................................................................... 2 1.2. 1.3. Ubicación del Problema .............................................................................................. 3 1.4. Planteamiento del Problema ........................................................................................ 4 1.5. Justificación ................................................................................................................. 4 1.6. Limitaciones ................................................................................................................ 5 1.7. 2. Interés del Problema .................................................................................................... 3 Organización de la documentación del Robot Bípedo ................................................ 6 MARCO CONCEPTUAL .................................................................................................. 7 2.1. La locomoción humana ............................................................................................... 8 2.2. ¿Qué es un robot de caminado dinámico? ................................................................... 9 2.3. Desarrollos con robots de caminado dinámico ......................................................... 11 2.3.1. Los Bípedos de mayor presupuesto ................................................................... 11 2.3.2. Desarrollos académicos de mediano presupuesto .............................................. 16 2.3.3. Caminadores Pasivos ......................................................................................... 21 2.3.4. Tecnologías ........................................................................................................ 22 2.4. 3. Problemas con el caminado dinámico ....................................................................... 28 MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 31 3.1. Simulación del robot ................................................................................................. 32 3.2. Descripción de la solución propuesta ........................................................................ 34 3.2.1. 4. Características .................................................................................................... 34 CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT .................................................................................... 36 4.1. Mecánica ................................................................................................................... 37 4.1.1. Diseño ................................................................................................................ 37 4.1.2. Ensamblaje ......................................................................................................... 41 4.2. Electrónica ................................................................................................................. 43 4.2.1. 4.3. 5. Implementación del circuito .............................................................................. 43 Costos ........................................................................................................................ 45 PRUEBAS DEL ROBOT ................................................................................................. 46 5.1. Pruebas ...................................................................................................................... 47
  • CONTENIDO 5.2. 5.3. 6. Resultados ................................................................................................................. 49 Resultados Esperados ................................................................................................ 49 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ............................................................... 50 6.1. 6.2. Conclusiones ............................................................................................................. 52 6.3. 7. Aportaciones.............................................................................................................. 51 Trabajos Futuros ........................................................................................................ 52 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ........................................................................... 54 AVANCE 1, DEL 02 AL 06 DE SEP. 2013 ........................................................................ 57 AVANCE 2, DEL 09 AL 13 DE SEP. 2013 ........................................................................ 60 AVANCE 3, DEL 16 AL 20 DE SEP. 2013 ........................................................................ 62 AVANCE 4, DEL 23 AL 27 DE SEP. 2013 ........................................................................ 63 AVANCE 5, DEL 30 DE SEP. AL 04 DE OCT. 2013........................................................ 65 AVANCE 6, DEL 07 AL 11 DE OCT. 2013 ....................................................................... 67 AVANCE 7, DEL 14 AL 18 DE OCT. 2013 ....................................................................... 69 AVANCE 8, DEL 21 AL 25 DE OCT. 2013 ....................................................................... 76 AVANCE 9, DEL 28 DE OCT. Al 01 DE NOV. 2013 ....................................................... 81 AVANCE 10, DEL 04 AL 08 DE NOV. 2013 .................................................................... 83 AVANCE 11, DEL 11 AL 15 DE NOV. 2013 .................................................................... 86 AVANCE 12, DEL 18 AL 22 DE NOV. 2013 .................................................................... 88 AVANCE 13, DEL 25 AL 29 DE NOV. 2013 .................................................................... 90 GLOSARIO ............................................................................................................................. 92 REFERENCIAS ....................................................................................................................... 93 ANEXO A. CÓDIGO FUENTE .............................................................................................. 94 ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES ................................................................... 107 ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT ............................................................... 122 Cadera bípedo ..................................................................................................................... 122 Piernas ................................................................................................................................ 125 ANEXO D. BITÁCORA DE PRUEBAS .............................................................................. 132 Problemas presentados ....................................................................................................... 132 CONCLUSIONES PERSONALES ....................................................................................... 133 ix
  • CONTENIDO x
  • INTRODUCCIÓN 1 1. INTRODUCCIÓN El ser humano es un sistema extremadamente complejo y eficiente. El análisis de los procesos humanos y la idea de diseñar y construir máquinas con forma humana son ancestrales, es por ello que la robótica está tomando un papel muy importante para el futuro de la sociedad, ya que cada vez hay más robots que desempeñan tareas del ser humano. Por ejemplo los robots manipuladores que son utilizados en procesos industriales sirven para trabajar con materiales peligrosos, también sirven para desempeñar procesos en serie. Por otro lado, los robots son utilizados para realizar movimientos del cuerpo humano como el caminado. En este caso de estudio en robótica, es más difícil de controlar el equilibrio, ya que se necesita una gran cantidad de sensores para estabilizarse. Se ha comprobado que se necesita mucha energía para mover un robot cuando utiliza motores como actuadores. Con esta problemática se han estado buscando alternativas para construir robots con un mínimo de sensores, más ligeros, económicos y con mecanismos simples. Actualmente alrededor del mundo se están desarrollando una nueva clase de robots que están basados en el caminado dinámico, estos robots tienen el principio de la locomoción humana. Dada la importancia de desarrollar tecnologías de este tipo en México, se construirá un robot bípedo basado en caminado dinámico. La ventaja de éstos, es que cuentan con pocos sensores y actuadores lo que trae como consecuencia un gran ahorro de energía cuando caminan.
  • INTRODUCCIÓN 2 1.1. Objetivos 1.1.1. General El objetivo de nuestro proyecto es diseñar y construir un robot bípedo basado en caminado dinámico. Además se pretende que sea de uso didáctico, ya que en un futuro se le pueden incorporar mejoras. El robot bípedo contará con 8 grados de libertad, actuado por 6 servomotores de 180° y 2 servomotores de 360°, los cuales permiten inducir torques en las piernas para realizar el caminado, así como también el flexionado de las mismas para que este tenga una mayor estabilidad una vez que dé el primer paso iniciando de la posición cero que sería cuando las piernas del robot estén en un ángulo de 90° respecto al piso. También contara con un mini servomotor de 180° el cual dirigirá la posición del sensor ultrasónico para que este último tenga un mayor rango de detección. 1.1.2. Específicos  Asimilación de tecnología en el tema de robots de caminado dinámico.  Diseñar la parte mecánica del robot que emule el movimiento del caminado.  Hacer más comprensible el tema del caminado dinámico para poder abordar temas futuros tales como el diseño de prótesis humanas funcionales.  Diseñar el Robot con 8 grados de libertad, dos servomotores en los tobillos, dos en las rodillas, dos en la cadera y dos rotacionales.  Incorporarle un sensor ultrasónico para darle una mayor autonomía al robot y sea capaz de esquivar objetos.
  • INTRODUCCIÓN 3 1.2. Interés del Problema Es conocido en el mundo de la robótica la dificultad que subyace en el movimiento de un ser humano. El que un robot camine utilizando las dos piernas al igual que una persona no es una tarea sencilla. El interés de construir un robot bípedo es un desafío para la ingeniería Mecatrónica, ya que actualmente no existen muchos avances ni documentación dado su complejidad. Estos tienen la característica que son complejos para mantener el equilibrio y por consiguiente es un problema interesante a investigar. Otros puntos son las causas que propician las caídas de los robots bípedos hacia adelante y atrás, se tiene que incrementar lo robusto de éstos para evitar que se presente un desequilibrio al momento de caminar. Son interesantes debido a que la robótica móvil con piernas va encaminada principalmente a desarrollar bípedos. Además de que nosotros como equipo nos dimos a la tarea de implementarle un sensor ultrasónico con el cual sea mucho más autónomo y pueda esquivar objetos y no solo realice el caminado hacia un solo sentido sin importar si tropieza o en su defecto choque con un objeto. 1.3. Ubicación del Problema El problema que se presenta actualmente es la inquietud de desarrollar tecnologías nuevas alrededor del mundo. Surge la necesidad de no rezagarse en temas de robótica móvil con piernas por lo cual, los países alrededor del mundo desarrollan prototipos mecatrónicos tales como robots bípedos. Sin embargo requieren de una gran cantidad de sensores y actuadores. La investigación en el caminado dinámico, pretende desarrollar bípedos que sean ligeros y con
  • INTRODUCCIÓN 4 pocos componentes para realizar el caminado. Una de las aplicaciones puede ser como robots asistentes en casa, dispositivos de entretenimiento, robots de exploración, entre otros. La construcción de un robot bípedo tiene la ventaja que sirve como punto de partida para investigar prótesis inteligentes, dispositivos de rehabilitación basados en caminado dinámico, etc. 1.4. Planteamiento del Problema Actualmente no se cuenta con un robot bípedo en el Instituto Tecnológico de Culiacán y el conocimiento correspondiente. Para el Instituto es importante dentro de la carrera de Ing. Mecatrónica, construir un robot de este tipo, capaz de caminar utilizando dos piernas, ya que esto podría atraer inversiones tanto internas como externas debido a que es un tipo de robot del cual existen pocas investigaciones sobre todo en México, lo cual conlleva a que una vez que esté funcionando pueda servir de uso didáctico para los alumnos tanto del Instituto Tecnológico de Culiacán en la carrera de Mecatrónica, así como para las demás escuelas que les interese aprender sobre estos robots tan complejos y siendo así enriquecer nuestras fronteras de conocimientos. 1.5. Justificación En el área de robótica del Instituto Tecnológico de Culiacán se han desarrollado diferentes tipos de robots con piernas, ejemplos de ello son los robots hexápodos y cuadrúpedos. El propósito de estos prototipos es avanzar en temas de equilibrio, locomoción, sistemas de control, etc. Estas investigaciones previas sirven para encaminar los conocimientos en robots bípedos. Con este proyecto se busca iniciar investigaciones en robots de dos piernas. El beneficio es aportar experiencia y conocimiento para continuar
  • INTRODUCCIÓN 5 investigando en esta rama de la robótica, posteriormente dar paso a proyectos futuros y/o mejoras. 1.6. Limitaciones Las limitaciones de este proyecto son las siguientes:  Estabilidad: En este trabajo no se aborda el tema de la estabilidad, debido a que se tiene que hacer un análisis de equilibrio que no está comprendido para este alcance.  Esquema de control: El robot no cuenta con un lazo de control cerrado, por lo que está limitado a un ciclo de caminado sin control. Se ha realizado estudios para aplicar un control pero aún está en etapa de crecimiento.  Parámetros Denavit-Hartenberg: Debido al poco tiempo con el contábamos para hacer funcionar nuestro prototipo como requisito de algunas materias, no se calcularon las ecuaciones para calcular la cinemática y dinámica.  Económico: Este proyecto fue financiado únicamente por nuestro equipo, de haber sido financiado por alguna empresa o institución se hubiese llegado más lejos el desarrollo del prototipo.
  • INTRODUCCIÓN 6 1.7. Organización de la documentación del Robot Bípedo El documento en formato “APA” se ha organizado en una serie de capítulos como se muestra a continuación:  En el capítulo 2 se efectúa una breve descripción de los conceptos básicos de la locomoción humana, se explica que es un robot bípedo y como es que surgieron. Se muestran desarrollos de robots que se han tenido actualmente. Se hace también una revisión de los principales problemas que se tienen en los robots bípedos.  En el capítulo 3 se presenta el marco teórico en el cual se presenta el comportamiento de los eslabones del prototipo mediante la simulación en SolidWorks para verificar si no existen conflictos algunos o cualquier otro problema que pudiese surgir. Finalmente se describe la propuesta de solución.  En el capítulo 4 se describe a detalle la construcción del robot, describiendo sus diferentes generalidades y procesos.  En el capítulo 5 se muestra el resultado de las pruebas realizadas con el robot bípedo.  En el capítulo 6 se exponen las conclusiones y trabajos futuros.  Por último, en el capítulo 7 se muestra el cronograma de actividades que se realizó semana tras semana.
  • MARCO CONCEPTUAL 7 2. MARCO CONCEPTUAL En este capítulo primero se muestran conceptos básicos de la locomoción humana y el ciclo de la marcha. Posteriormente, se define que es un robot bípedo y de dónde surge. También se muestra el estado del arte. Finalmente se describen problemas que se tienen relacionados al caminado dinámico.
  • MARCO CONCEPTUAL 8 2.1. La locomoción humana La locomoción humana se ha descrito como una serie de movimientos alternantes, rítmicos, de las extremidades y del tronco que determinan un desplazamiento con respecto al centro de gravedad. Aunque existen pequeñas diferencias en la forma de la marcha de un individuo a otro, estas diferencias caen dentro de pequeños límites. El ciclo de la marcha El ciclo de la marcha comienza cuando el pie contacta con el suelo y termina con el siguiente contacto con el suelo del mismo pie. Los dos mayores componentes del ciclo de la marcha son: la fase de apoyo y la fase de balanceo (ver Figura 2.1). Una pierna está en fase de apoyo cuando está en contacto con el suelo y está en fase de balanceo cuando no contacta con el suelo. Figura 2.1. Ciclo de caminado del ser humano La longitud del paso completo es la distancia lineal entre los sucesivos puntos de contacto del talón del mismo pie. Longitud del paso es la distancia lineal en el plano de progresión entre los puntos de contacto de un pie y el otro pie (ver Figura 2.2).
  • MARCO CONCEPTUAL 9 Figura 2.2. Longitud del paso 2.2. ¿Qué es un robot de caminado dinámico? La palabra robot tiene sus orígenes en la palabra checa robbota, que significa "servidumbre " o "trabajo forzado", la cual fue utilizada por primera vez por el escritor checo Karel Capek, en 1921, en su obra de teatro "Rossum's Universal Robots (Los Robots Universales de Rossum)". El enfoque estándar del control de un robot es aplicado en la industria, donde se debe de asegurar control directo sobre todos los grados de libertad. Utilizando motores y estructuras rígidas, pueden seguir trayectorias preestablecidas. Esta aproximación puede ser utilizada como, un punto de partida para la construcción y control de robots bípedos. Para tratar de controlar las características de un contacto de pie limitado y cambiando la dinámica del sistema, los bípedos son programados para caminar lentamente manteniendo el centro de masa por encima del área de contacto del pie. Este principio es mejor conocido como ZMP, éste se basa en mantener el centro de presión dentro del contacto del pie. Nótese que esto no es suficiente para prevenir al bípedo de las caídas, solo quedará erguido si sigue manteniendo el pie con un contacto completo con el piso. Usualmente el ZMP tiene el problema que el cálculo de las trayectorias es una restricción debido a la velocidad de procesamiento mientras se asegura que el pie tiene un
  • MARCO CONCEPTUAL 10 contacto completo con el piso. Muchos investigadores, especialmente en Japón trabajan en un andar más dinámico en este tipo de robots. El beneficio de este tipo de robots es que un sistema completo puede ser construido desde el principio, tiene todos los grados de libertad para tener una apariencia humana. Hacerlo más dinámico, natural, eficiente y barato son temas que hay que mejorar, como se puede ver en prototipos desarrollados por Honda y Sony. Este puede ser un punto de partida para nuevos desarrollos industriales. Investigaciones biomecánicas han proporcionado varias sugerencias hacia los movimientos pasivos dinámicos en el caminado humano. McGeer demostró que un robot sin actuadores y sin control podía realizar un caminado estable cuando caminaba en una pendiente inclinada. Entonces, un robot de caminado dinámico es aquel que tiene un enfoque en el control del movimiento del robot (especialmente en el caminado), basado en utilizar el momento de la pierna de avance para una mejor eficiencia. El uso del caminado dinámico o también en llamado en la literatura como pasivo, es usado para crear partes robóticas y prótesis que se mueven más eficientemente conservando el momento, reduciendo el número de actuadores requeridos para el movimiento. Los beneficios del enfoque pasivo es la eficiencia del movimiento del caminado, la naturalidad de los movimientos, y la simplicidad de la construcción requerida. El desarrollo hacia una apariencia humana más natural debe ser tomado paso a paso, para tener oportunidades para descubrir propiedades fundamentales dinámicas. Así, el enfoque pasivo es lo más apropiado para un punto de partida en investigaciones dentro del caminado.
  • MARCO CONCEPTUAL 11 2.3. Desarrollos con robots de caminado dinámico 2.3.1. Los Bípedos de mayor presupuesto Los proyectos más ambiciosos sobre robótica bípeda se encuentran actualmente en manos de las empresas Sony y Honda. Estas empresas apuntan a la creación de robots que constituyan productos de venta masiva y sus desarrollos insumen años de trabajo, miles de profesionales y cientos de millones de dólares de presupuesto. En esta sección describimos brevemente las características de sus robots. 2.3.1.1. Sony QRIO Figura 2.3. Robot Sony QRIO Este robot fue concebido con fines de entretenimiento y además del control motriz, está equipado con una gran cantidad de hardware y software dedicado a la interacción con las personas. El QRIO camina en forma dinámica utilizando el método de ZMP (Zero Moment Point, punto de momento cero) y es capaz de adaptarse a superficies irregulares y de
  • MARCO CONCEPTUAL 12 reaccionar a fuerzas externas. De ser empujado el robot puede decidir dar un paso hacia la dirección adecuada para equilibrarse. Para la interacción con los seres humanos el QRIO está equipado con software de reconocimiento de personas mediante su cara o su voz y reconocimiento de palabras habladas. Este robot también es capaz de hablar y cuenta con un sistema que simula conversaciones y emociones. En su diseño están contemplados aspectos de seguridad, como por ejemplo detección de obstrucciones en las articulaciones que permiten evitar que las mismas lastimen al usuario, control de temperatura para que sea siempre seguro tocarlo y un peso suficientemente liviano como para no lastimar a una persona si cae sobre ella. También se tuvieron en cuenta en su diseño aspectos de confort, como por ejemplo una operación silenciosa. El Sony QRIO es un robot autónomo con una batería que le permite una hora de operación y cuenta con interfaz de red inalámbrica con la cual puede interactuar con equipos de computación, aunque está concebido para interactuar directamente con personas mediante lenguaje hablado. Al momento de realizar este informe el Sony QRIO aún no se ha puesto a la venta, pero el precio que se anuncia para su lanzamiento es de U$S 50.000
  • MARCO CONCEPTUAL 13 Desarrolladores: Sony Corporation Homepage: http://www.sony.net/SonyInfo/QRIO/ Altura: 58 cm Peso: 6.5 kg Velocidad: 10 cm/s en supercies irregulares y 33 cm/s en terreno plano Procesamiento: 2 procesadores RISC de 64 bits, 128 Mb RAM, sistema operativo de tiempo real Amperios (propietario de Sony) DOF (Degrees of freedom, Grados de libertad): 4 en el cuello, 2 en el cuerpo, 5 en cada brazo y 6 en cada pierna. Un total de 28 grados de libertad más 5 dedos en cada mano. Sensores: 3 Infrarrojos de distancia, 1 sensor de aceleración de 3 ejes y 2 de 2 ejes, 4 sensores de presión en cada pie, 6 sensores de temperatura, 5 sensores de tacto tipo llave en manos y hombros y 1 con control de presión en la cabeza, 7 micrófonos, 2 cámaras de video. Actuadores: Servomotores propietarios Alimentación: 12 baterías de alto voltaje de litio, tecnología propietaria de Sony Otros: Leds multicolor en los ojos, parlante, slots para PC-CARD y Memory Stick, Interfaz de red inalámbrica
  • MARCO CONCEPTUAL 14 2.3.1.2. Honda ASIMO Figura 2.4. Robot Honda ASIMO A diferencia del robot QRIO de Sony, que se centra en el entretenimiento, el ASIMO de Honda fue concebido desde un principio pensando en asistir a las personas y realizar tareas domésticas en nuestro entorno, por ello su altura es mayor ya que fue creado teniendo en cuenta las dimensiones y posición habitual de mesas, sillas, llaves de luz y escaleras entre otras cosas. También se tuvo en cuenta en el desarrollo de ASIMO que sus ojos quedaran a la altura de los ojos de una persona adulta sentada, con miras a que el robot fuera cómodo para su interacción en la oficina. Al igual que QRIO de Sony, ASIMO cuenta con una gran cantidad de software que le permite reconocer objetos y voces, analizar su entorno y desplazarse por él y brindar muchas posibilidades en cuanto a interacción con seres humanos. También este robot actúa en forma autónoma con baterías que le permiten media hora (hasta una hora en los nuevos prototipos) de autonomía. A diferencia del QRIO, ASIMO no es capaz de levantarse si se cae.
  • MARCO CONCEPTUAL 15 La forma en que Honda comercializa el ASIMO es alquilándolo y en este momento el precio del alquiler es de U$S 150.000 anuales. Desarrolladores: Honda Homepage: http://world.honda.com/ASIMO/ Altura: 120 cm Peso: 52 kg Velocidad: 42 cm/s. Procesamiento: No se divulga DOF: 2 en el cuello, 5 en cada brazo, 1 en la mano y 6 en cada pierna. Un total de 26 grados de libertad. Sensores: Sólo se divulga que cuenta con sensores de 6 ejes en el área del pie, giroscopio y sensor de aceleración. Actuadores: Servomotores propietarios Alimentación: Batería de níquel-metal de 40 volts Otros: Parlante, Interfaz de red inalámbrica
  • MARCO CONCEPTUAL 16 2.3.1.3. Resumen La información recabada sobre estos robots nos permite conocer mejor la dificultad del problema que estamos afrontando, aunque lamentablemente por ser desarrollos que mantienen en secreto gran parte de sus características, no podemos obtener demasiado conocimiento de aquí. En cuanto a las dificultades que quedan en evidencia se puede observar el bajo rendimiento de las baterías en ambos robots, problema que estas empresas están muy preocupadas en solucionar, así como también las limitaciones en cuanto a velocidad que todavía son muy grandes incluso contando con la más alta tecnología. 2.3.2. Desarrollos académicos de mediano presupuesto Los proyectos que presentamos en esta sección fueron realizados por universidades y en algunos casos patrocinados por pequeñas o medianas empresas. Estos robots no pretenden ser productos aptos para el mercado sino prototipos de investigación. 2.3.2.1. ARIA Figura 2.5. Robot ARIA
  • MARCO CONCEPTUAL 17 Desarrolladores: Isfahan University of Technology (I.U.T.) Artificial Intelligence laboratory Homepage: http://ece.iut.ac.ir/robocup/index.htm Altura: 60 cm Peso: 6.5 kg Velocidad: 2 cm/s Procesamiento: PC Pentium IV 512 Mb RAM, Windows 98. DOF: Cada pierna tiene únicamente 4 DOF. Dos DOF adicionales controlan mediante rieles la posición de las baterías horizontalmente en el cuerpo. Un total de 18 grados de libertad. Sensores: 8 sensores de fuerza para calcular el ZMP. 2 Giroscopios tipo chip. 1 Cámara de video. Actuadores: 18 Servomotores de tipo hobby Alimentación: 2 Baterías NiCd 3A 12 V
  • MARCO CONCEPTUAL 18 2.3.2.2. GuRoo Figura 2.6. Robot GuRoo Desarrolladores: ITEE, University of Queensland Homepage: http://www.ite.uq.edu.au/~damien/GuRoo Altura: 120 cm Peso: 38 kg Velocidad: No se especifica Procesamiento: Compaq iPAQ PDA (208Mhz StrongArm, 32Mb RAM). DOF: 6 en cada pierna, 3 en el cuerpo, 2 en el cuello y 3 en cada brazo. Un total de 23 grados de libertad. Sensores: 15 encoders de 500 cuentas/revolución (exactitud 0.001◦) ubicados junto con cada motor DC. Acelerómetros, giroscopios y magnetómetros conforman una unidad de medida de inercia. Dos cámaras OmniVision CMOS procesadas por un Hitachi SH4 a 20 cuadros/s
  • MARCO CONCEPTUAL 19 Actuadores: 15 Motores DC con escobillas para las piernas y el cuerpo: Maxon RE32 (32 V nominal). Reducción 156:1 cerámica, 72% eciencia. Torque máximo de 10 mNm. 8 Servomotores tipo hobby Hi-Tech HS705-MG. Torque Máximo de 1.4 Nm. Alimentación: 2 Baterías 42 V 1.5 Ah NiCd para los motores DC y 2 Baterías 7.2 V 1400 mAh NiCd para los servos y la lógica. 2.3.2.3. Isaac Figura 2.7. Robot Isaac Desarrolladores: Politecnico di Torino. Dipartimento di Automatica e Informatica Homepage: http://www.isaacrobot.it Altura: 83 cm Peso: 14 kg Velocidad: No se especifica
  • MARCO CONCEPTUAL 20 Procesamiento: PC104 Procesador de 267 MHz 128 Mb RAM, tarjetas de I/O digital y analógica. Linux con extensiones de Tiempo Real RTAI. DOF: 16 (6 en cada pierna, 1 en cada brazo, 2 en el cuello). Sensores: 8 Sensores de fuerza en los pies, encoders incorporados en los motores, potenciómetros en cada articulación, 3 acelerómetros y 2 giroscopios. Webcam. Actuadores: Motores DC con escobillas y engranajes. 8 motores de 4 Nm de torque y 8 motores de 9 Nm. Alimentación: 3 Baterías 25 V de hasta 5 A 2.3.2.4. Resumen Casi la totalidad de los componentes utilizados en estos robots son estándar y sólo una parte muy pequeña de ellos fueron mandados hacer a medida por los desarrolladores. Sin embargo casi todos los componentes son muy específicos y por lo tanto no se consiguen en nuestro país, debiéndose recurrir en caso de necesitarlos a distribuidores en el exterior. Otro inconveniente que se vislumbra a partir de este estudio es el alto costo de la mayoría de los componentes. Si bien los desarrolladores no publican detalles de costos, un relevamiento sobre los componentes utilizados nos lleva a que el precio de estos robots oscila entre U$S 5.000 y U$S 10.000.
  • MARCO CONCEPTUAL 21 2.3.3. Caminadores Pasivos Los caminadores dinámicos pasivos son una clase de modelos simples que caminan sin actuación de motores ni control. Tad McGeer mostró que un modelo plano, simple, de dos piernas, podía caminar sobre una rampa inclinada sin ninguna entrada de energía externa ni entradas de control externas. En la figura 2.8. se muestra un caminador pasivo. Figura 2.8. Caminador Pasivo El funcionamiento del mecanismo es el siguiente: inicialmente se lo coloca en el extremo alto de la rampa, lo que hace que el propio peso del robot ejerza un torque sobre el robot que tiende a hacerlo avanzar. Este torque convierte la energía potencial gravitatoria en energía cinética durante la fase de soporte único. Durante el impacto contra el piso del pie libre, al comienzo de la fase de doble soporte, se pierde una cantidad de energía. Es importante notar que es fundamental el correcto diseño del caminador ya que si no se dimensiona correctamente, el mecanismo simplemente se caerá.
  • MARCO CONCEPTUAL 22 2.3.4. Tecnologías En esta sección se presentan las tecnologías relevadas como predominantes en el área. 2.3.4.1. Construcción estructural Los metales, por su alta durabilidad, son los materiales más populares cuando se trata de hacer robots. En particular, el aluminio es muy usado por ser muy liviano y accesible, además de ser fácil de trabajar. Los proyectos que disponen de presupuestos mayores utilizan plásticos o polímeros propietarios cuyas características no se divulgan. 2.3.4.2. Sensores Los sensores son dispositivos que contienen transductores. Los transductores traducen una magnitud de algún tipo (eléctrica, mecánica, etc.) en otra de otro tipo. Los sensores que son de interés para el proyecto son aquellos cuya magnitud de salida es eléctrica. A continuación relevamos las distintas magnitudes y cómo se pueden medir. 2.3.4.2.1. Velocidad angular Tacómetro óptico (optical shaft encoder) Consiste en una rueda con ranuras equiespaciadas, que se monta sobre el eje donde se quiere medir la velocidad angular.
  • MARCO CONCEPTUAL 23 2.3.4.2.2. Posición angular Potenciómetro: La forma más sencilla de realizar un sensor de posición angular es montar un potenciómetro cuya pata de regulación va acoplada mecánicamente al eje del motor. Integración cinemática: Otra forma de realizar la medición de la posición angular consiste en integrar la salida de un tacómetro angular. De esta manera obtenemos el desplazamiento angular. 2.3.4.2.3. Posición y velocidad lineal Dependiendo de la construcción del mecanismo, se puede construir un transductor de posición o velocidad lineal a partir de uno angular. 2.3.4.2.4. Inclinación En esta categoría caen los inclinómetros y giroscopios. Son dispositivos que miden el apartamiento entre dos ejes, uno fijo y uno perteneciente al dispositivo mismo. Inclinómetro: Los inclinómetros más simples pueden hacerse sencillamente, donde una caja plástica rellena con un electrolito líquido, es utilizada como un divisor resistivo para medir la inclinación.
  • MARCO CONCEPTUAL 24 Giroscopio: Los giroscopios utilizan la precesión para mantener su eje de rotación en una posición fija, más allá de las fuerzas o pares externos que se les aplique. Como el eje de rotación permanece constante, se puede obtener la inclinación del eje del giroscopio midiendo el ángulo entre ambos. 2.3.4.3. Actuadores En esta sección se describen algunas de las tecnologías de actuadores estudiadas. 2.3.4.3.1. Actuadores Rotatorios En el área de los actuadores rotatorios, los motores son por lejos los dispositivos más utilizados. En este apartado nos ocuparemos de los tres tipos de motores más utilizados en robótica. Motores paso a paso (Steppers): Los motores paso a paso se componen por un número de bobinas equiespaciadas angularmente ubicadas en el estator. En el centro de este arreglo se encuentra el rotor. Las bobinas se utilizan como electroimanes; al energizarse en una secuencia circular, los campos magnéticos generados en las bobinas arrastran al eje del motor. Hay varias formas de efectuar esto: 1. Wave Drive - Las bobinas se energizan de a una a la vez. Es el de menor consumo eléctrico.
  • MARCO CONCEPTUAL 25 2. High Torque - Las bobinas se energizan de a pares consecutivos. Al haber dos bobinas energizadas en todo momento, el torque es mayor pues el ujo que atraviesa la armadura es mayor. 3. Half step - En este enfoque se energiza la bobina 1, luego la 1 y 2, luego la 2, etc. La desventaja que posee es que el torque no es constante. Figura 2.9. Diagrama de un motor paso a paso
  • MARCO CONCEPTUAL 26 Motores de corriente continua (DC): Para hacer funcionar estos motores, se les aplica una tensión en bornes, y a continuación acelerarán hasta girar a una velocidad constante siempre que puedan vencer el par de arranque. La velocidad a la que giran dependerá del par resistivo al que se someta al motor. Para operar un motor de continua hace falta un circuito “driver”, y un controlador. El driver energiza el motor, y el controlador es el dispositivo que comanda al driver. Una forma común de driver es el circuito llamado “puente H”. Figura 2.10. Esquemático del puente H Servomotores: El término servomotores se refiere a una familia de motores más que a un tipo específico. Son motores que cuentan con un lazo de realimentación interno. Esto significa que censan la posición en la que se encuentran, la comparan con la posición a la que se le indica que debe ir, y aplica una tensión que depende de esa diferencia. El caso más común es el servomotor de corriente continua, que consiste en un motor de DC, con un potenciómetro
  • MARCO CONCEPTUAL 27 adosado mecánicamente al eje, que traduce el ángulo del motor en un voltaje, y que a su vez este voltaje se realimenta a la entrada negativamente. De esta manera se logra un motor con un lazo de realimentación de posición interno. Los servomotores de DC poseen un conductor de alimentación, uno de tierra y uno de control, donde se le indica a donde debe ir. Si bien la señal de control puede enviarse como una señal analógica, se acostumbra codificar la posición en PWM (Pulse Width Modulation, modulación en el ancho del pulso), con un período de alrededor de 20 ms. Esto es así porque el motor DC verá el valor promedio de la onda (es decir, responde al ciclo de trabajo de la onda). De esta manera no es necesario aplicar niveles de voltajes diferentes para diferentes posiciones, y el motor puede controlarse desde un dispositivo que tenga salida de 0 y 5 V (correspondientes al 0 y 1 lógicos respectivamente). Es así que se cambia la resolución espacial (resolución en el voltaje) por una resolución temporal (en el ciclo de trabajo de una onda de período corto). Un servomotor presenta varias ventajas respecto de un motor paso a paso. En primer lugar, alcanza una buena resolución de posición con sólo tres hilos, mientras que para un stepper se necesitarían más hilos para una precisión similar. En segundo lugar, en el hilo de control ya va codificada la posición, y el motor se dirige a esa posición, a diferencia del stepper, donde hay que ir conmutando los solenoides para arrastrar el rotor. Por último, la relación par máximo/peso del motor es mucho mejor para el servomotor que para el motor paso a paso.
  • MARCO CONCEPTUAL 28 Figura 2.11. Esquema de un servomotor de corriente continúa Figura 2.12. Un servomotor por dentro 2.4. Problemas con el caminado dinámico El estudio del caminado dinámico es relativamente nuevo; desde hace 20 años que se comenzó a investigar se han ido tratando problemas que surgen con cada diseño de prototipos. Los problemas que se relacionan tienen que ver principalmente con caídas, éstas son el tema que más se aborda en robots bípedos. Son originadas debido a un desequilibrio
  • MARCO CONCEPTUAL 29 que se genera debido a varios factores importantes tales como; desniveles en el piso, respuesta lenta de los actuadores mecánicos, fricciones con el piso, etc. A continuación se muestran algunos problemas que están presentes en robots de caminado dinámico, también se mencionan los que se presentaron en este trabajo como proyecto:  Caídas hacia adelante y atrás.- Sin duda fue el principal problema que se presentó en el proyecto, surgió en la etapa de pruebas cuando el robot se probó en movimiento.  Estabilidad en 3D.- Para estabilizar un robot bípedo es necesario contar con diseños en los pies que controlen el movimiento en tres dimensiones, en el tipo de pie propuesto en este proyecto no se toma en cuenta esos parámetros, ya que sería un tanto complejo, y es por ello que se optó por utilizar los pies planos con una área considerable por supuesto. El problema no fue resuelto completamente pero tiene muchos aspectos a mejorar, tales como utilizar un diseño más cercano al pie del ser humano.  Incrementar la robustez.- Para que el robot bípedo camine es necesario tener un diseño que tolere factores causantes del desequilibrio tales como irregularidades, tipo de piso, etc. Se mencionan algunas sugerencias para incrementar la robustez del robot, como parámetros de peso y medidas (este problema se presentó en la construcción y pruebas).
  • MARCO CONCEPTUAL 30  Hacer que el robot se levante por si solo.- Este problema lo están tratando otros investigadores, no es parte de este proyecto, pero es importante mencionarlo, debido a que es una tarea que deben realizar los robots.  Hacer que el robot inicie y pare por si solo.- Para que el caminado dinámico sea posible, es necesario empujar el robot al inicio, para detenerse debe contar con la asistencia de una persona que pare la marcha. No se pudo con este tema debido a que no se tienen todavía los conocimientos para evitar este problema.  Hacer que el robot se voltee.- Como se muestra en el estado del arte, los robots solamente pueden caminar en un solo sentido, lo que se pretende es que puedan cambiar el sentido por sí solos incorporándole sensores ultrasónicos.
  • MARCO TEÓRICO 31 3. MARCO TEÓRICO En este capítulo, se presentan la simulación del robot, y las características de la solución propuesta. La simulación tiene un papel muy importante a la hora de realizar un diseño, dado que pudiese presentarse colisiones o medidas erróneas de los eslabones o demás elementos, así como también demás cosas que puedan surgir.
  • MARCO TEÓRICO 32 3.1. Simulación del robot La simulación del prototipo sirve para observar su respuesta dinámica y corregir problemas previos al diseño, además comprender el comportamiento del robot. La simulación consiste en inducir torques a las piernas para hacer que el robot mueva la pierna (ver Figura 3.1.). El software que utilizamos para la simulación, fue el SolidWorks 2012. Pierna de avance Torques aplicados Pierna de estancia Figura 3.1. Diseño renderizado en SolidWorks
  • MARCO TEÓRICO 33 Como se observa en la figura 3.1., la pierna derecha del robot permanece tocando el suelo todo el tiempo (pierna de estancia), se aplica un torque a la pierna izquierda e inicia con el ciclo de caminado (pierna de avance), cuando la pierna de avance toca el suelo genera ayuda al robot a caminar establemente. La pierna de avance ayuda a mantener el robot erguido debido a la inercia que lleva. Referencia Figura 3.2. Movimiento que realiza la pierna (Motor cadera)
  • MARCO TEÓRICO 34 Referencia Figura 3.3. Movimiento que realiza la pierna (Motor Rodilla) Se realizaron varias pruebas de simulación debido a que el propósito fue observar el momento en que se flexionaban las piernas y verificar si no se presentaba alguna colisión de rozamientos de piezas, además de analizar hasta qué punto sería necesario para que tuviese una flexión de rodilla adecuada para dar el paso y que al momento de realizar dicha acción no existiera conflicto alguno, como por ejemplo exceso de dimensiones. Esto proporciona mayor seguridad en la construcción de la estructura general. 3.2. Descripción de la solución propuesta 3.2.1. Características Para este proyecto, se construirá un robot bípedo de caminado dinámico, y se seguirán algunos puntos esenciales los cuales son:
  • MARCO TEÓRICO 35  El ángulo de las piernas al caminar se limitará a 40⁰ (para caminado estable) desde su posición inicial.  Peso aproximado, 1.3 kg.  Pie plano con forma octagonal.  La parte de la cadera tiene dos soportes como parte de la estructura, para evitar que el robot se caiga.  Se utilizará un sensor ultrasónico el cual nos será de gran ayuda para detectar y a su vez esquivar objetos próximos al robot y este no tropiece o en su defecto choque.  Se utilizará una tarjeta arduino Mega.  Se utilizarán servomotores de 180° y de 360°.  Como fuente de energía se pretende utilizar baterías.  Estructura metálica de acero inoxidable para darle mayor consistencia y estilo. El prototipo tendrá ocho grados de libertad (dos en los tobillos, dos en las rodillas, dos en la cadera, y dos en la parte superior de la cadera para poder hacer girar el robot hacia otra dirección). Para la manufactura primero se diseñará el prototipo en SolidWorks para posteriormente llevarlo a la construcción. Finalmente, se utilizará electrónica y programación para dar movimiento al robot.
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 36 4. CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT En este capítulo se muestra a detalle la construcción del robot, atendiendo a los cálculos realizados y a la propuesta de solución. El capítulo se divide principalmente en parte mecánica, electrónica y programación, además de los costos invertidos en el proyecto.
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 37 4.1. Mecánica En este trabajo de investigación, la parte mecánica forma parte del núcleo principal, debido a que convierte la fuerza motriz de los servomotores en movimiento torsional para mover al robot. Con esto entonces debe cumplir con ciertos requisitos:  La selección adecuada de los materiales, que sean ligeros y resistentes.  La distribución adecuada de los eslabones que evite obstrucciones en el momento del caminado. En las siguientes sub secciones se muestra el diseño y ensamble de las distintas piezas, así como también sus dimensiones. 4.1.1. Diseño Para iniciar un diseño, se debe tener identificado cuales son los objetivos a los que se quiere llegar, los requerimientos que debe cumplir son los siguientes:  El robot contará con 8 grados de libertad, 2 en los tobillos, 2 en las rodillas, 2 en la cadera y 2 en la parte superior de la cadera.  La cadera debe mantener al robot erguido, es por ello que se le debe implementar algún tipo de soporte el cual le ayude a no perder el equilibrio.  Una pierna debe de ser de estancia y otra de avance para poder realizar un caminado ideal. A continuación se muestran las partes principales del diseño del robot.
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 38 4.1.1.1. La cadera Este es el mecanismo con más piezas en movimiento, su función es mantener el robot erguido y mantener las piernas en sentido contrario una de la otra al momento de estar en movimiento. Figura 4.1. Diseño de la cadera 4.1.1.2. La rodilla Figura 4.2. Diseño de la rodilla
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 39 4.1.1.3. Tobillo y pie El pie consta de una lámina recta de forma octagonal con un área considerable para que el robot no caiga. Pegado al pie se encuentra el motor del tobillo. Figura 4.3. Diseño tobillo y pie 4.1.1.4. Diseño General El diseño del robot tiene una forma semejante a la de un humano, con el propósito de que realice un caminado más natural, se tiene la distribución de las partes y algunas medidas importantes. *Nota: Las medidas expuestas en la figura están en mm.
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 40 Figura 4.4. Diseño del robot completo
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 41 4.1.2. Ensamblaje El ensamblaje contó con un una inspección de calidad para evitar piezas defectuosas debido a que se utilizaban ajustes de milímetros, en total son 14 diferentes piezas. Figura 4.5. Piezas para el ensamblaje de la estructura Figura 4.6. Piernas completas ensambladas
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 42 Como se ha mencionado, la cadera es la parte principal del robot (ver figura 4.7.), en ella se encuentran soportados el sensor ultrasónico, un mini servomotor, las tarjetas electrónicas de control, baterías de alimentación y toda la infraestructura que hace posible mantener los componentes electrónicos sujetados. Figura 4.7. Estructura de la Cadera Finalmente se muestra en la figura 4.8. el ensamble completo del robot bípedo, en conjunto con todas las partes antes mencionadas se obtuvo una serie de ensambles y subensambles, que hacen posible el armado completo. Por otro lado, el mayor reto es aligerar este tipo de prototipos, porque el peso es un factor que podría afectar en los resultados. Además para el armado se inspeccionó y revisó cada parte para cumplir con los ajustes y tolerancias especificadas en el diseño.
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 43 Figura 4.8. Robot armado 4.2. Electrónica 4.2.1. Implementación del circuito Figura 4.9. Circuito en baquelita para las corrientes y tierras
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 44 Figura 4.10. Implementación de sensor ultrasónico, batería y arduino
  • CONSTRUCCIÓN DEL ROBOT 45 4.3. Costos En esta sección se muestran los costos que se llevaron en la construcción del robot bípedo (ver tabla 4.1.). Se muestran los precios en pesos mexicanos. Piezas de acero inoxidable liviano $400 6 Servomotores de 180°15 kg /cm $1800 Mini-Servomotor 180° y 2 Servomotores de 360° 15 Kg / cm $600 Tarjeta Arduino $600 Pies del bípedo Gratis Circuitería y Cables $100 Tornillos y arandelas $30 Batería de 9v para alimentar el arduino $40 Batería para alimentar a los servomotores $900 Sensor ultrasónico $100 Total: $4570 Tabla 4.1. Costos del robot
  • PRUEBAS DEL ROBOT 46 5. PRUEBAS DEL ROBOT En este capítulo se muestran las pruebas, resultados esperados y los resultados obtenidos del robot.
  • PRUEBAS DEL ROBOT 47 5.1. Pruebas En un principio al obtener el sensor ultrasónico se pudo manipular primeramente las señales de salida mediante Led´s, como se muestra en las figuras 4.11. y 4.12.; se le asignó un parámetro de distancia de detección de objetos previamente, una vez establecido el parámetro se pudo estar observando como el led se activaba si disminuía la distancia de 20 cm respecto al objeto, y viceversa si aumentaba la distancia otro led era activado, es así como se incorporó a la programación. Figura 5.1. Pruebas con ultrasónico a -20 cm
  • PRUEBAS DEL ROBOT 48 Figura 5.2. Pruebas con ultrasónico a +20cm En la figura 4.13 se puede observar cómo se fueron analizando los rangos requeridos para cada servomotor para así poder realizar un caminado adecuado. Figura 5.3. Analizando rango de movimiento de cada servomotor
  • PRUEBAS DEL ROBOT 49 5.2. Resultados Dado a que este proyecto es para uso didáctico, solamente se llegó hasta cierta etapa de desarrollo por cuestiones de recursos financieros y además de tiempo, ya que solamente contábamos con poco más de 3 meses para la realización del prototipo. Además ya que actualmente no existe mucha documentación respecto a este tema se fue documentando todo lo realizado para que las futuras generaciones no empiecen desde cero si llegasen a optar por aprender y realizar este tipo de prototipo y puedan implementarle mejoras, como serian rediseño de la estructura para hacerla más ligera todavía, así como también implementarle brazos y la cabeza, etc. 5.3. Resultados Esperados Por medio del movimiento de cada servomotor y de la secuencia que estará dada en el programa, el robot pueda caminar de una manera eficiente en superficies lisas. Que el sensor ultrasónico sea capaz de detectar un obstáculo y que a su vez este mande una señal a la tarjeta arduino y esta indique una instrucción la cual sea cambiar de dirección para evadir el objeto. Además de que el robot sea capaz de caminar de una manera autónoma. Que gracias a este proyecto, los alumnos del Instituto Tecnológico de Culiacán se entusiasmen y motiven a construir sus propios prototipos en las próximas ferias celebradas en esta institución. Ya que está planeado para ser de uso didáctico. Este prototipo en un futuro puede tener diversas aplicaciones, como por ejemplo en alguna situación de rescate, siendo capaz de llegar a zonas donde el ser humano no puede hacerlo.
  • CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 50 6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS En este último capítulo se plantean todas las conclusiones que surgieron a lo largo de este trabajo de investigación. Además se sugieren trabajos futuros para seguir avanzando en la investigación de esta rama de la robótica.
  • CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 51 Se desarrolló un robot bípedo de caminado dinámico en el Instituto Tecnológico de Culiacán. Como se asentó en el capítulo introductorio, el diseño y construcción surge como una necesidad en la búsqueda de conocimiento y desarrollo de tecnología en el área de robots móviles con piernas. Es posible desarrollar este tipo de tecnologías en el país para avanzar en la investigación de robots bípedos, teniendo un punto de partida para futuros prototipos. La aplicación práctica de este trabajo es que se pueden realizar robots bípedos que requieren un mínimo de energía para poder moverse. Otra posible aplicación es en el área de medicina, en la línea de prótesis, debido a que sirve como base en el desarrollo de prótesis inteligentes para personas con discapacidad. Las tareas realizadas durante el desarrollo del presente trabajo, se pueden mencionar las siguientes aportaciones y conclusiones: 6.1. Aportaciones  Se presentó un diseño de robot que cumpliera con los objetivos planteados. Los componentes que lo integran, son de alta calidad y precisión  Se desarrolló un sistema electrónico que fuera portable y de baja potencia.  Se le implemento dos tipos de baterías, uno para el control y otra para la etapa de potencia de los servomotores.  La aportación principal de este trabajo como proyecto académico, es la asimilación de tecnología.
  • CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 52 6.2. Conclusiones  El tamaño y peso del prototipo es un factor que debe cuidarse porque impacta directamente en el caminado. La conclusión es que un prototipo pequeño tendrá más posibilidades de tener un caminado exitoso. La recomendación es que se diseñen prototipos de aproximadamente 1 metro de altura debido a que reduciría costos, más ligero y con componentes más pequeños.  Se concluye que este trabajo realizado, es una base para seguir investigando los robots bípedos. Así, todo el trabajo realizado, es cimentado en su aportación a la asimilación tecnológica del caminado dinámico. Entendiendo la locomoción humana aplicada a la robótica con piernas. 6.3. Trabajos Futuros Los resultados obtenidos pueden sugerir posibles mejoras y trabajos sobre la misma línea de investigación:  Un diseño nuevo del robot, que permita hacerlo más pequeño y ligero. Buscar materiales alternativos como plásticos para reducir peso, también es recomendable reducir el número de componentes para reducir el costo de manufactura.  Instalar sensores de posición angular en las rodillas y cadera para conocer la velocidad de las articulaciones.
  • CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 53  Rediseñar los pies teniendo como base el pie del ser humano, cambiar el pie tipo plano por uno más conveniente.  Cerrar el lazo y controlar al sistema completo utilizando diferentes técnicas de control.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 54 7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Figura 7.1. Cronograma de Actividades 1.- Investigación de sensores adecuados para el bípedo: Durante esta semana se realizó una investigación para seleccionar cual es la mejor opción que existe para implementar en el robot bípedo, la opción que selecciono el equipo, fue un sensor ultrasónico, este por medio de una señal emitida por el emisor y de acuerdo al tiempo que tarda en regresar la señal al receptor, puede determinar la distancia a la que se encuentra el objeto y de esta manera poder tomar la decisión de evadir el objeto. 2.-Mandar a construir las nuevas piezas: El semestre pasado, durante la construcción de este robot las piezas se realizaron manualmente por los integrantes del equipo, la falta de experiencia en estos trabajos resultó
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 55 que las piezas no quedaran de la misma medida y esto ocasionaba un desequilibrio y un gran problema al momento de que el robot intentara caminar, por eso se decidió mandar a construir las piezas, para que quedaran de la medida deseada y no quedara desbalanceado el prototipo final. 3.- Implementación de batería y bluetooth adecuado para el bípedo: Al principio del semestre se pretendía comunicar el robot con la computadora, de esta manera se le podría indicar al robot qué decisión tomar cuando encontrara un obstáculo, avanzo el tiempo y el equipo decidió que era mejor diseñar el bípedo para que funcionara de forma autónoma, detectando un obstáculo y el mismo robot decidirá qué acción realizar para evadir el obstáculo. 4.- Implementar los nuevos sensores e ir haciendo pruebas: Después de la investigación y de tomar la decisión de implementar el sensor ultrasónico, se tenían que hacer pruebas para ver la eficiencia del sensor en este proyecto, primeramente se utilizó el sensor de forma independiente, solamente midiendo la distancia a la cual se encontraba un obstáculo. 5.- Armado del prototipo: Durante este periodo de tiempo, se terminó de ensamblar el robot, ya que se tenía completamente ensamblado, se reforzaron todas las uniones entre cada parte del robot con la finalidad de que tuviera la menor inestabilidad y la menor vibración posible, ya que entre mayor fueran estas, mayor seria el desequilibrio que tendría el prototipo y por consecuente, sería más difícil de lograr el propósito del caminado del robot.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 56 6.- Programación: Ya teniendo todo completamente ensamblado, junto con los servomotores y el sensor ultrasónico, lo siguiente es terminar con la programación con la finalidad de lograr el caminado estable del prototipo. La programación se hizo de forma secuencial, primero identificando cual era el rango de movimiento de cada servomotor, en su respectiva articulación. Lo siguiente era determinar cuál era la secuencia correcta para lograr el movimiento aceptable para lograr el propósito. Cuando el robot pretenda caminar, este se inclinará hacia un lado, para poder hacer el movimiento de las articulaciones y lograr dar un paso de la forma correcta. Se tuvieron que hacer pruebas para determinar cuál era el rango de movimiento del servomotor del pie para lograr el equilibrio y que no cayera cuando diera el paso.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 57 AVANCE 1, DEL 02 AL 06 DE SEP. 2013 Sensores angulares que se podrían utilizar Potenciómetro: La forma más sencilla de realizar un sensor de posición angular es montar un potenciómetro cuya pata de regulación va acoplada mecánicamente al eje del motor. Midiendo la resistencia que exhibe el potenciómetro podemos obtener la posición del motor. Esto tiene la desventaja de que el motor no puede girar continuamente hacia el mismo lado, dado que el potenciómetro tiene una capacidad de giro de alrededor de 180 o. Están los potenciómetros de tipo tornillo, pero aun así puede girar un ángulo limitado. Esta medición, una vez calibrado el potenciómetro, es absoluta Los potenciómetros son unos dispositivos capaces de medir la posición angular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Según el tipo de posición a medir tendremos dos tipos distintos de dispositivos pero la idea básicamente es común. Figura 7.2. Potenciómetro Integración cinemática: Otra forma de realizar la medición de la posición angular consiste en integrar la salida de un tacómetro angular. De esta manera obtenemos el desplazamiento angular respecto de cierta posición de referencia (ya que la medición es relativa). Esto muchas veces no es muy
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 58 útil ya que los pequeños errores, si no se cancelan, al integrarse divergen y hacen que la posición medida era seriamente de la real. Optical shaft encoder: Una forma de obtener una lectura de posición absoluta, es haciendo n calados de anchos sucesivamente mayores, y disponer n pares fotoemisor-fotoreceptor. De esa manera se tiene una medida instantánea absoluta codi_cada según cierto código (dependiente de os anchos de las ranuras), de la posición del eje. Figura 7.3. Encoder Sensores Ópticos Fotorresistencias o LDR (light dependent resistor) Los sensores ópticos varian ampliamente en diseño. Algunos actúan como resistores cuya resistencia depende de la intensidad de la luz que les llega. A estos se les llama fotorresistores. Figura 7.4. Fotorresistor
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 59 Fotodiodos- fototransistores: Los fotodiodos son diodos activados mediante radiación lumínica, es decir, conmutan entre el estado activo (ON) y el cortado (Off) dependiendo de si la intensidad de la luz recibida supera cierto umbral. En los fototransistores, la luz excita la base generando una corriente que polariza al transistor en zona activa, conduciendo corriente entre colector y emisor (npn) o emisor y colector (pnp). Estos dos tipos de sensores poseen un ancho de banda reducido, es decir, detectan luz entre un color único. Video: Otros sensores más complejos, son las cámaras de video. Estas permiten un nuevo nivel de percepción totalmente diferente; la contraparte es que esto no solamente encarece la construcción, sino que complica la algoritmia de procesamiento. Casi todos los robots de mediano y gran presupuesto cuentan con por lo menos una cámara de video. Figura 7.5. Cámara de Video
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 60 AVANCE 2, DEL 09 AL 13 DE SEP. 2013 Necesidad:  Crear piezas que puedan dar soporte y flexibilidad al sistema bípedo.  Realizar un proyecto de calidad donde muestre habilidades, destrezas y conocimientos del equipo. Figura 7.6. Ejemplo de Bípedo Objetivo: Crear piezas del sistema bípedo con materiales resistentes (acero inoxidable) y así tener un mejor apoyo y estabilidad del bípedo. Figura 7.7. Piezas de la estructura del Bípedo Se muestran las piezas realizadas para el sistema bípedo, las cuales constan de uniones, soporte de los servomotores y la cadera del bípedo.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 61 Formas de trabajar:  Buscar un material resistente, delgado e inoxidable.  Utilizar tornillerías de 1/8 y 3/32 para la construcción.  Brocas de 1/8 y 3/32 para láminas de acero inoxidable.  Se utiliza un taladro de banco para realizar las perforaciones de las piezas del bípedo. Figura 7.8. Maquinado de la estructura La forma en que se realizó el trabajo de la creación de las piezas consto de utilizar un lugar cómodo y eficiente para realizar las actividades el cual fue el club de robótica, se organizó el equipo para poder buscar un mejor material para el bípedo el cual nos dará una mejor estructura y eliminara algunos errores de articulaciones y lo más importante la dos piernas son simétricas. Figura 7.9. Herramientas de trabajo
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 62 AVANCE 3, DEL 16 AL 20 DE SEP. 2013 Para este reporte se mandarían a hacer las piezas de las patas, para que el bípedo quedara más resistente y estable. Figura 7.10. Piezas de la estructura En esta figura se muestran unos eslabones por separado, ya perforados para poderse unir por medio de tornillos con otros eslabones y así formar la pierna. Figura 7.11. Ensamblaje de eslabones En esta imagen se pueden observar, dos eslabones unidos ya con sus respectivos servomotores, de esta manera quedara armada la pierna del robot bípedo. En este reporte se presentan las piernas del robot bípedo, estos eslabones, piezas o partes de las piernas en esta ocasión fueron mandadas a hacer, ya que la ves pasada, las hicieron mis compañeros, por lo tanto no quedaron del todo bien y al armar el robot, no tenía un movimiento estable, armónico.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 63 AVANCE 4, DEL 23 AL 27 DE SEP. 2013 Para esta semana se pretende implementar la batería y el bluetooth necesario para el bípedo, se han estado haciendo investigaciones para ver que batería y que transmisor bluetooth son los más convenientes para este robot. Los más convenientes hasta ahorita son este bluetooth:  Voltaje de trabajo: 3.6V - 5.5V  Corriente: Emparejado 20~30mA, Conectado 8mA Figura 7.12. Componentes electrónicos Este bluetooth consideramos que es el más conveniente, porque tiene un rango de alcance muy bueno para el proyecto, aparte de que no es tan costoso. Aunque el bluetooth solo se utilizaría para comunicarse con la computadora, pero se esté buscando la manera de grabarle rutinas al robot y que este pueda efectuarlas.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 64 Y esta batería: Batería recargable de NIMH 900mAh - 6.0V Figura 7.13. Batería y su conector Esta batería no es la que nos conviene a nosotros, porque necesitamos 6 Amperes, y tendríamos que comprar 6 baterías de estas para poder satisfacer esta necesidad, por lo tanto seguiremos con la búsqueda de una batería de este tipo, de 6V pero que nos dé más amperaje, el amperaje que nosotros necesitamos son 6 A para todos los servomotores.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 65 AVANCE 5, DEL 30 DE SEP. AL 04 DE OCT. 2013 Para esta semana se tenía que implementar la batería y el bluetooth adecuado para el bípedo, esta semana los integrantes del equipo decidimos que el bluetooth no iba a ser necesario porque era para comunicar la computadora y el bípedo, cosa que queremos cambiar porque queremos que el robot sea autónomo, y que sea capaz de detectar un objeto y tomar una decisión. La batería que se utilizará será esta: Figura 7.14. Batería a utilizar y su conector Batería que aporta: 7.4 V y 1500mA. Esta batería será capaz de alimentar los servos de la pierna y el servomotor que llevara el sensor ultrasónico que se pondrán en el robot. Los servomotores que se utilizarán consumen 6V y 1 Ampere, por lo tanto estas baterías tienen la capacidad de alimentarlos, así como también alimentará al arduino que contendrá el programa a ejecutarse.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 66 Se escogieron este tipo de baterías porque fueron las que más cumplían con las necesidades en la construcción del robot bípedo, porque tienen un buen tamaño para poderse colocar en el bípedo sin que los cables estén interfiriendo en el movimiento del mismo. Después de haber estudiado el robot y las propuestas de ¿Dónde se colocaran las baterías? El equipo llego a la conclusión de que estas deben ir sobre la cadera, porque si se perfora por un lado y pasan por ahí los cables, estos no estorbaran en el movimiento de los eslabones cuando el prototipo comience a desempeñar las rutinas establecidas para caminar, aparte de que el son muy ligeras, pesan alrededor de 200gr. Otra ventaja de este tipo de baterías es que solo tarde alrededor de 3 horas cargándose y esta carga puede durar el tiempo suficiente para desempeñar las tareas deseadas. También tienen mucho tiempo de vida útil, ya que a diferencia de otras baterías, estas no se pueden sobrecargar porque cuentan con un sistema de protección que, al estar cargadas al 100% estas se protegen. También posee las conexiones necesarias para nuestra necesidad.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 67 AVANCE 6, DEL 07 AL 11 DE OCT. 2013 Durante estas semanas, corresponde trabajar en la implementación del sensor e ir haciendo pruebas, así que se realizó la investigación necesaria para decidir que sensor era el más conveniente para la construcción del robot bípedo, después de la investigación se concluyó lo siguiente: Se usara un sensor ultrasónico porque los sensores de ultrasonidos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias de hasta 8m. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la señal tarda en regresar. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco. La ventaja que presenta este sensor es: Que este sensor al no necesitar el contacto físico con el objeto ofrece la posibilidad de detectar objetos frágiles, como pintura fresca, además detecta cualquier material, independientemente del color, al mismo alcance, sin ajuste ni factor de corrección. Los sensores ultrasónicos tienen una función de aprendizaje para definir el campo de detección, con un alcance mínimo y máximo de precisión de 6 mm. Este sensor se colocará en la cadera junto con un pequeño servomotor, para que este sensor pueda dirigir la señal en el rango de movimiento de este pequeño motor. La idea de eso es que cuando detecte que hay un obstáculo, el servomotor se activará y girará, cuando gire enviara otra señal y si en esa dirección no hay obstáculo el servo
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 68 mandara una señal al arduino para que le indique al robot que esa dirección está libre y puede avanzar para allá. Después de checar varios modelos de sensores ultrasónicos se concluyó que la mejor opción era el HC-SR04 por las siguientes características: Figura 7.15. Características de sensor ultrasónico Las ventajas de este sensor con respecto a otros son que la corriente y el voltaje que necesita este sensor lo cumple la batería ya establecida. También el rango de distancia bajo el cual trabaja este sensor es muy conveniente porque al estar posicionado en la cadera, puede alcanzar a detectar los obstáculos dentro del rango que este necesitara para girar y tiene una muy buena resolución.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 69 AVANCE 7, DEL 14 AL 18 DE OCT. 2013 Durante esta semana, se siguió trabajando en la investigación de los sensores que se implementarán en el robot. Para poder implementar los sensores, se tuvo que trabajar simultáneamente con la construcción del mismo robot, para ir avanzando en la construcción de este y al mismo tiempo probarlas dentro del prototipo. Las piernas del bípedo están siendo armadas de la siguiente manera: Figura 7.16. Armado de piernas En la imagen se aprecia cómo quedarán ya definitivamente los servomotores en las piernas del robot. De acuerdo a la investigación realizada, se llegó a la conclusión de que las mejores opciones para nuestra necesidad de conocer y controlar la estabilidad del robot, son estos dispositivos:
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 70 Sensor ultrasónico: Figura 7.17. Características de sensor ultrasónico Este sensor ultrasónico nos servirá para detectar obstáculos dentro de una distancia de 5m, irá colocado en la parte superior del robot bípedo, junto con un servomotor, cuando el sensor detecte un obstáculo el servomotor girara el sensor y así el sensor revisará si en esta otra dirección se puede avanzar o también hay obstáculo, sí es así, el servomotor volverá a girar hacia el otro lado, para checar si el camino está libre. Se determinó usar este sensor porque de acuerdo a la investigación realizada, se vio que cumplía con las especificaciones técnicas y se podía comunicar con el arduino. Este sensor junto con el servomotor irán montados en el robot bípedo como se muestra a continuación:
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 71 Aquí se colocarán el sensor ultrasónico junto con el servomotor. Figura 7.18. Ubicación de sensores También se decidió implementar el sensor giroscopio con acelerómetro, como se había recomendado en clase, este sensor servirá para no estar programando a prueba y error, el sensor ayudará a decirnos el movimiento giratorio alrededor de los ejes y el desplazamiento que tendrá el robot dentro de estos mismos ejes. De acuerdo a la investigación, se decidió utilizar el sensor acelerómetro-giroscopio MPU6050. Figura 7.19. Acelerómetro-giroscopio
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 72  Tensión de alimentación: 3~5v  Interfaz digital: I2C Digital  Sensor angular de 3 ejes (giroscopio) con una sensibilidad de hasta 131 LSBs/dps y a full-escala de ±250, ±500, ±1000, and ±2000dps  Acelerómetro de 3 ejes con una precisión programable en rangos de ±2g, ±4g, ±8g and ±16g  Algoritmos embebidos para mejorar la calibración sin intervención del usuario.  Dimensiones: 14 x 21mm Las razones por las cuales se decidió utilizar este giroscopio, son las especificaciones técnicas y que era posible comunicarlo con arduino. Este último sensor ira situado en la parte inferior de la cadera, como se muestra en la figura: En esa posición ira situado el acelerómetro-giroscopio. Figura 7.20. Ubicación de acelerómetro-giroscopio
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 73 Se decidió colocarlo en esa parte del robot, porque ahí podrá detectar, cuando este desequilibrado y así poder mandar la señal al arduino, para que este mueva a los motores y pueda estabilizarlo de nuevo. Se encontró este código de ejemplo, para el sensor ultrasónico, servirá para comunicar el sensor con el arduino. Figura 7.21. Ejemplo de código para medir distancia con sensor ultrasónico De esta manera el bípedo podrá detectar cuando haya un obstáculo y tenga que evitarlo.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 74 Programa del acelerómetro y giroscopio. MPU-6050 Read accel, temp and gyro, error = 0 accel x,y,z: 184, -484, 14992 temperature: 29.635 degrees Celsius gyro x,y,z : 367, 220, -812, MPU-6050 Read accel, temp and gyro, error = 0 accel x,y,z: 116, -364, 15056 temperature: 29.635 degrees Celsius gyro x,y,z : 373, 226, -766, MPU-6050 Read accel, temp and gyro, error = 0 accel x,y,z: 232, -432, 15100 temperature: 29.682 degrees Celsius gyro x,y,z : 382, 232, -790, MPU-6050 Read accel, temp and gyro, error = 0 accel x,y,z: 280, -468, 15136 temperature: 29.635 degrees Celsius gyro x,y,z : 368, 211, -820,
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 75 MPU-6050 Read accel, temp and gyro, error = 0 accel x,y,z: 140, -432, 15108 temperature: 29.588 degrees Celsius gyro x,y,z : 388, 203, -806, MPU-6050 Read accel, temp and gyro, error = 0 accel x,y,z: 220, -464, 14920 temperature: 29.541 degrees Celsius gyro x,y,z : 374, 196, -774, MPU-6050 Read accel, temp and gyro, error = 0 accel x,y,z: 172, -440, 15100 temperature: 29.588 degrees Celsius gyro x,y,z : 363, 200, -769, De esta manera el giroscopio podrá equilibrar el robot al momento de caminar, mandándole la orden a los servomotores, para que giren lo correspondiente a determinado movimiento y que el movimiento del bípedo sea armónico y estable.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 76 AVANCE 8, DEL 21 AL 25 DE OCT. 2013 Durante esta semana se trabajó con el sensor ultrasónico, ya fue adquirido y probado, se conectó a la computadora y se hicieron pruebas con unos objetos, para verificar si en la computadora se arrojaban las distancias a las que se encontraba el objeto en diferentes momentos. Figura 7.22. Conexión con tarjeta arduino Las distancias obtenidas por el sensor se mostraban en la pantalla de la computadora y si el objeto se movía, en la pantalla se mostraba la nueva distancia. Figura 7.23. Programación en software de arduino
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 77 Durante esta semana se estuvo trabajando también en una página web, en la cual se escribe la información recaudada sobre el robot bípedo, así como también las herramientas de trabajo, las piezas que se han diseñado en SolidWorks, los costos y los integrantes, a conforme pasan los días se actualizan los avances y también se subirá el documento de acuerdo a la norma “APA” con la finalidad de que si otros alumnos desean desarrollar un proyecto como este, ya tengan más documentación a la mano. La página es: http://www.bipedotec.blogspot.mx/p/que-es.html Figura 7.24. Página principal de nuestro blog En esta imagen se muestra el inicio de la pagina web
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 78 Figura 7.25. Información de nuestro proyecto en nuestro blog En esta imagen se aprecia la informacion que aparece cuando se presiona la pestaña de “¿Qué es?”. En esta información aparece el documento correspondiente a este proyecto, donde esta escrita la introducción, el objetivo, los antecedentes, etc. Con la intención de hacer esta pagina de una manera mas formal, para que pueda ser de apoyo para cualquier persona. Figura 7.26. Presentaciones en nuestro blog
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 79 Como se dijo anteriormente, en esta página se estan actualizando los avances cada semana, de esta manera toda aquella persona que la vea, pueda ver cual fue el camino que siguió este equipo y pueda partir de un punto mas avanzado a la investigación que se muestra en esta pagina. Se mejoró el diseño en SolidWorks, agregando el sensor ultrasónico en el diseño, para ir visualizando como quedaría colocado. Sensor ultrasónico Arduino Batería Figura 7.27. Diseño en SolidWorks Para poder ir probando los sensores de la manera mas conveniente, se tuvo que construir al mismo tiempo el robot, para verificar si el sensor iba a servir para esta aplicación. El bípedo quedo de la siguiente manera:
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 80 Figura 7.28. Estructura del bípedo En esta imagen se puede observar como se piensa tener del diseño del robot bípedo, junto con la cadera. En la imagen se aprecia la cadera cerrada, esta cerrada porque sobre ella se pondra un sermovotor junto con el sensor ultrasónico para poder detectar los obstáculos. Figura 7.29. Estructura del bípedo con los componentes electrónicos Aquí se aprecia como funcionara el sensor ultrasónico, al ir colocado en la parte de enfrente, podrá detectar los obstaculos cuando vaya caminando hacia adelante. Se coloco el sensor de esta manera para que se apreciara como irá colocado, pero como se mostro en la imagen anterior, el sensor irá colocado en esa posición, pero sobre la cadera cerrada como se mostro en la imagen anterior.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 81 AVANCE 9, DEL 28 DE OCT. Al 01 DE NOV. 2013 Durante esta semana se dejaron bien ensambladas las piernas del bípedo, pero como se había dicho anteriormente para ir probando los sensores de la manera correcta, se está trabajando de manera simultánea el ensamblado del robot, junto con las pruebas respectivas de los sensores. Las piernas del robot bípedo quedaron construidas de la siguiente manera: Figura 7.30. Estructura del bípedo (piernas) Se hicieron pruebas con el sensor ultrasónico, conectándolo al protoboard junto con unos led´s, un led indicaba si el objeto estaba a menos de 20 cm del sensor y otro led indicaba si el objeto estaba a más de 20 cm.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 82 En esta imagen se aprecia como esta encendido el led, que indica un objeto a menos de 20 cm. Figura 7.31. En esta otra, indica que el objeto está a más de 20 cm de distancia. Figura 7.32. El sensor giroscopio ya llego y está en nuestras manos, falta adaptarlo a nuestra necesidad. Figura 7.33. Sensor giroscopio
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 83 AVANCE 10, DEL 04 AL 08 DE NOV. 2013 Durante esta semana se continuó con el armado del prototipo del robot bípedo así como también la incorporación de los sensores ultrasónico y giroscopio en lo que es la estructura del prototipo. Se colocó el sensor ultrasónico en la cadera junto con el mini-servomotor 180° con la finalidad de que estos estén acoplados entre sí, y tenga más rango de visibilidad. Figura 7.34. Sensor ultrasónico en base de cadera Se colocó allí porque era el lugar más adecuado, para que este trabaje bajo un buen rango de distancia y pueda detectar los obstáculos de una manera eficiente y de esa manera pueda mandar la señal al arduino y de acuerdo al programa pueda esquivar el obstáculo. Se posicionaron los servomotores de las dos piernas y se hicieron pruebas para ver cuál era el rango de cada uno. Los servomotores que estarán colocados en los pies, tendrán un rango de movimiento de 86° a 92°.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 84 Los servomotores que estarán colocados arriba de los pies, tendrá un rango de movimiento de 90° a 120°. Los servomotores que están debajo de los servomotores de 360°, los cuales moverán la cadera tendrán un rango de 88° a 120°. En la siguiente imagen se puede observar cuando se estaban realizando las pruebas para encontrar el rango adecuado para los servomotores. Figura 7.35. Calibración de servomotores Después de varias pruebas se llegó al rango de movimiento adecuado para nuestra necesidad en el movimiento de las articulaciones del bípedo. Los servomotores están diseñados para trabajar de 5° en 5°, este rango de los servomotores es el más conveniente para que al momento de que el bípedo comience a caminar, este sea un movimiento más armónico y natural, lo que conlleva a que la estabilidad del prototipo no sea afectada por movimientos bruscos generados por los servomotores dado si su forma de trabajar fuera de 45° en 45° o de 90° en 90°.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 85 A conforme paso la semana se continuó con la construcción del bípedo y las piernas quedaron ensambladas de la siguiente manera: Figura 7.36. Ensamblaje de bípedo casi listo
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 86 AVANCE 11, DEL 11 AL 15 DE NOV. 2013 Se continuó con el armado de la estructura del robot bípedo, tomando en cuenta que se ocupan conectar todos los cables con el arduino y la batería. Se hicieron unos cortes en la lámina que está en la cadera para que no se hiciera un desorden con los cables al momento de conectarlos. Figura 7.37. Cadera del bípedo En esta imagen se aprecia como pasarán los cables del sensor ultrasónico por la parte superior de la cadera. Figura 7.38. Cadera del bípedo
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 87 Aquí se muestra como el cable no va a interferir el ensamblaje de la cadera y se podrá conectar satisfactoriamente. Figura 7.39. Cadera del bípedo Se hizo este agujero, para pasar cables por ahí y no tengan que rodear toda la cadera, porque aparte del sensor ultrasónico, posiblemente los cables de los servomotores colocados en los pies pasen por ahí también. Figura 7.40. Perforación en cadera del bípedo Durante esta semana también se ajustaron detalles en el ensamble de las piernas, para que cada parte de la pierna quedara colocada de la mejor manera y de una manera segura también. Figura 7.41. Armado del bípedo casi en su totalidad
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 88 AVANCE 12, DEL 18 AL 22 DE NOV. 2013 En esta semana se realizó un ensamble de un 100 por ciento, teniendo las medidas adecuadas de los cables que se conectaran a la tarjeta arduino, son cables que van desde 3 cm hasta 8 cm los cuales permitirán tener un mejor acomodo en el compartimiento donde se encuentra la batería y la tarjeta arduino. Figura 7.42. Instalación del cableado de los servos y sensores El diseño de conexiones permite tener un equilibrio tanto en la batería como en la tarjeta controladora arduino. Figura 7.43. Estructura final
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 89 En la programación se vieron los avances de utilizar las condiciones para poder utilizar una variable que contendrá el dato del sensor ultrasónico, y así poder realizar secuencias distintas con respecto al valor que este sensando el ultrasónico. Se pintó la tapa superior del bípedo para darle más porte al proyecto, con estos avances se tienen el diseño total mecánico con una amplia recopilación de información que nos ayuda a que este proyecto sea más didáctico y los alumnos del instituto tecnológico de Culiacán puedan tener una mejor idea en un sistema bípedo el cual puede mejorar tanto en sensores, como en actuadores, y así tener mejores articulaciones y sus movimientos finales de caminado se transformen en más suaves y naturales, imitando así la morfología de caminar de una persona. Figura 7.44. Corte de protoboard Se realizó el corte en un protoboard para realizar las conexiones de todas las tierras y corrientes en cada uno de los componentes, ya sean motores como sensores. Con esto se tiene una información que nos permitió aprender sobre sensores que tienen diversas aplicaciones.
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 90 AVANCE 13, DEL 25 AL 29 DE NOV. 2013 En este avance se realizaron mejoras en el sistema robótico bípedo, como eliminar el comportamiento que tenían las piernas al levantarse, ya que se comportaban como si fuera un péndulo y creaba una inestabilidad en el robot, por lo cual se desarmaron algunas piezas para agregar un nuevo bracket que le agregaba más estabilidad al servo que permite la rotación de la cadera (360°). El servomotor presenta más estabilidad. Figura 7.45. Mejoras en servomotor Figura 7.46. Mejoras en servomotor Aquí se tiene el nuevo braquet añadido para dar más soporte al servomotor de 360°
  • CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 91 Figura 7.47. Cableado a utilizar Por la problemática de que los cables se desconectaban, se agregó un poco de top en la punta de cada cable para que así no se movieran, es importante recalcar que se realizó con cuidado y sin verter top en el pin, solo en el cable. Con estas nuevas modificaciones se podrá realizar con una mejor programación y mejor estabilidad en el robot bípedo, ya que tiene más rigidez. Se trabajó con la programación para determinar la lógica que quisiéramos que realizara al caminar el sistema bípedo.
  • GLOSARIO 92 GLOSARIO  Robot: Significa "servidumbre " o "trabajo forzado".  Bípedo: De dos pies.  Locomoción: Movimiento que realiza una persona.  ZMP: Zero Moment Point (Punto de momento cero).  Sensor: Dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas.  Transductor: Dispositivo que transforma un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida.  Servomotores: Motores que cuentan con un lazo de realimentación interno.  LED: Luz Emissor Diode (Diodo emisor de Luz).
  • REFERENCIAS 93 REFERENCIAS Páginas de Internet: a) http://academiajournals.com/downloads/Contreras.pdf b) http://www.xatakaciencia.com/robotica/mabel-el-robot-bipedo-mas-rapido- del-mundo c) http://somim.org.mx/articulos2010/memorias/memorias2011/pdfs/A1/A1_213. pdf d) http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=9& ved=0CGUQFjAI&url=http%3A%2F%2Fearchivo.uc3m.es%2Fbitstream%2Fhandle%2F10016%2F10812%2FPFC_Daniel_Mor a_GarciaUceda.pdf%3Fsequence%3D1&ei=kcCbUqPtB43joATSmoKgCg&usg=AFQjCNGL STy7Aox5E1w7r_yHIhzoXPgTaQ&bvm=bv.57155469,d.cGU&cad=rja e) http://es.wikipedia.org/wiki/Robot f) http://robotik-jjlg.blogspot.mx/2009/06/robots-humanoides.html
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 94 ANEXO A. CÓDIGO FUENTE /*Opiron Electronics by A.Girod Programación de un sensor de aparcamiento con alarma visual y acústica by Anton Girod (girodanton@gmail.com) bajo licencia Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0*/ #include <Servo.h> Servo servo1; Servo servo2; Servo servo3; Servo servo4; Servo servo5; Servo servo6; Servo servo7; Servo servo8; Servo servo9; int a=0; int giro=0; int pos =0;
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 95 int pos1=0; int Pin_echo = 29; int Pin_trig = 28; void setup() { servo1.attach(2); servo2.attach(3); servo3.attach(4); servo4.attach(6); servo5.attach(7); servo6.attach(8); servo7.attach(5); servo8.attach(9); servo9.attach(10); Serial.begin (9600); pinMode(Pin_trig, OUTPUT); pinMode(Pin_echo, INPUT); } void loop() { servo1.write(90);
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 96 servo2.write(90); servo3.write(90); servo4.write(100); servo5.write(83); servo6.write(90); servo7.write(92); servo8.write(92); servo9.write(90); delay (3000); inicio: int duracion, cm; digitalWrite(Pin_trig, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(Pin_trig, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(Pin_trig, LOW); duracion = pulseIn(Pin_echo, HIGH); cm = duracion / 29 / 2; Serial.print("Distancia:");
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 97 Serial.print(cm); Serial.println(" cm"); delay(100); if (cm<20 ) { for(pos = 0; pos < 180; pos += 90) // va de 0 a 180 grados { servo9.write(pos); // en pasos de 1 grado // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición goto inicio; if(cm>20 && pos<60) { servo7.write(90); // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos' servo8.write(90); delay (200); servo7.write(92); 'pos' // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 98 servo8.write(92); } else if(cm>20 && pos==180) { goto inicio; servo7.write(94); // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos' servo8.write(94); delay (200); servo7.write(92); 'pos' servo8.write(92); } } } goto inicio; if(cm>20) { // caminado. // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 99 servo1.write(90); servo2.write(90); servo3.write(90); servo4.write(90); servo5.write(88); servo6.write(90); servo7.write(92); servo8.write(92); servo9.write(90); delay (3000); // inicia pata 1 for(pos = 90; pos < 120; pos += 1) // va de 0 a 180 grados { servo1.write(pos); // en pasos de 1 grado // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos' servo4.write(pos); delay(100); } //regresar tobillo 1 // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 100 for(pos = 120; pos >= 90; pos -= 1) // va de 0 a 180 grados { servo1.write(pos); // en pasos de 1 grado // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos' delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } // mover rodilla 1 for(pos = 90; pos < 130; pos += 1) // va de 0 a 180 grados { servo3.write(pos); // en pasos de 1 grado // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } for(pos1 = 90; pos1>=70; pos1-=1) { servo2.write(pos1); delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } for(pos = 90; pos >= 80; pos -= 1) // va de 0 a 180 grados
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 101 { servo6.write(pos); // en pasos de 1 grado // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } //// for(pos = 130; pos >= 115; pos -= 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo3.write(pos); //dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } // for(pos = 120; pos >= 90; pos -= 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo4.write(pos);// dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); } /// // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 102 for(pos = 90; pos >= 80; pos -= 1) // va de 0 a 180 grados { servo5.write(pos); // en pasos de 1 grado // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } for(pos1 = 115; pos1<120; pos1+=1) { servo3.write(pos1); delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } delay(2000); // INICIA PATA DOS. for(pos = 90; pos >= 67; pos -= 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo1.write(pos); servo4.write(pos);// dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); } // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 103 /// enderesa tobillo for(pos = 67; pos < 88; pos += 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo4.write(pos);// dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } // cenderesar rodilla for(pos = 120; pos >= 115; pos -= 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo3.write(pos);// dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } for(pos = 70; pos < 75; pos += 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo2.write(pos); delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } // flexion de pierna dos for(pos1 = 80; pos1<94; pos1+=1)
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 104 { servo5.write(pos1); delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } ///////////////////////...7/ for(pos = 80; pos >= 70; pos -= 1) // va de 0 a 180 grados { servo6.write(pos); // en pasos de 1 grado // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } // tobillo 1 // for(pos = 69; pos < 90; pos += 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo1.write(pos); delay(100); } // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 105 // enderesar pierna 1 // aqui va servo 3 for(pos = 75; pos < 85; pos += 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo2.write(pos); delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } for(pos = 115; pos >= 100; pos -= 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo3.write(pos);// dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición } /// falla!! for(pos = 70; pos < 80; pos += 1) // va de 0 a 180 grados { servo6.write(pos); // en pasos de 1 grado // dice al servo que se posicione en la posición indicada por la variable 'pos delay(100); // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición
  • ANEXO A. CÓDIGO FUENTE 106 } delay (5000); for(pos = 78; pos < 83; pos += 1) // va de 0 a 180 grados { // en pasos de 1 grado servo2.write(pos); delay(100); } //enderesar pierna 2 servo7.write(91); servo8.write(90); delay (200); servo7.write(92); servo8.write(92); delay(2000); } } // espera 15 ms para dar tiempo al servo a llegar a la nueva posición
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 107 ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES En el presente anexo se muestra un compendio de hojas de especificaciones para el desarrollo de este proyecto.
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 108
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 109
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 110
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 111
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 112
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 113
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 114
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 115
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 116
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 117
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 118
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 119
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 120
  • ANEXO B. HOJAS DE ESPECIFICACIONES 121
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 122 ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT Diseño SolidWorks Se realizó un diseño en SolidWorks para poder tener una base, una idea y un bosquejo del robot que deseamos construir, se construyó, siempre buscando que las medidas utilizadas en el diseño sean las mismas que el prototipo real, a continuación se presentaran las partes del diseño y las dimensiones de cada parte, las dimensiones en el software SolidWorks son en mm. Cadera bípedo Vista inferior Esta es la parte inferior de la cadera, esta tiene las dimensiones apreciadas en la imagen, se obtuvo la cadera con estas medidas porque con estas medidas se puede colocar de una manera justa y ordenada la tarjeta arduino, las baterías y los cables. Figura C.1. Vista inferior cadera
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 123 Esta es una fotografía de la pieza real, se puede apreciar un sincho de plástico, por medio de este se sujetaba la batería para que no se moviera de su lugar. Figura C.2. Vista inferior real de cadera Vista lateral Esta es una vista lateral, donde se aprecia la altura de 25 mm. Suficientes para colocar el cableado y los componentes. Figura C.3. Vista lateral cadera
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 124 Vista superior Visto de esta manera, se puede apreciar el agujero que se hizo en la parte superior para colocar allí el cableado y el servomotor más chico, que moverá el sensor ultrasónico. Figura C.4. Vista superior cadera Figura C.5. Vista frontal real de cadera Dentro de la cadera se colocó una pequeña pieza para poder colocar la batería que alimenta el arduino, ya que si se alimentaba con la otra batería que es para los servomotores, era mucha la corriente y corría el riesgo de dañarse el arduino.
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 125 Soporte para batería de 9V Figura C.6. Vista lateral real de cadera Piernas La pieza que sigue después de la cadera, donde va el servomotor de 360 grados, esta pieza está colocada en la parte superior de las dos piernas. Las dimensiones de esta, son las necesarias para colocar los servomotores y que queden de una manera adecuada. Figura C.7.
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 126 En este tipo de piezas están colocados todos los servomotores, el otro tipo de pieza se describirá a continuación. Figura C.8. Aparte de esa pieza, se colocó esa parte de acero que se ve al lado izquierdo, porque cuando el robot comenzaba a caminar, y se inclinaba para poder dar el paso con la otra pierna, esta otra pierna se comportaba como un péndulo y empezaba a oscilar, esta oscilación ocasionaba que hubiera un choque entre las dos piernas e interfiriera en el caminado del robot, por lo tanto se colocó esta pieza como un soporte y no tuviera la oscilación que tenía anteriormente. Esta pieza que sirve como soporte no está pegando con la cadera porque si esta pega, habrá fricción y esto también afectara en el movimiento. Figura C.9.
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 127 Esta es la tapadera donde se atornilla la otra pieza que lleva el servomotor, las dimensiones son las correspondientes a la pieza anterior para poder ir ensamblada por medio de tornillos con la otra pieza. Las dimensiones de esta pieza son estas. Figura C.10. Estas piezas están diseñadas para que sean las de la primera articulación, después de la cadera, van unidas dos de estas por la parte inferior, en cada una va ensamblada la pieza donde va el servomotor. Figura C.11.
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 128 Sus dimensiones son: Figura C.12. Y tiene una extrucción de 3 cm. Se colocan dos pegadas por la parte inferior de la siguiente manera. Figura C.13.
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 129 Luego se coloca otro servomotor con su respectiva base. Figura C.14. Luego se coloca el último servomotor, este servomotor controlará la inclinación del pie, cuando se incline el pie, la otra pierna se levantara un poco para que pueda hacer el movimiento sin que la otra pierna pegue con el piso. Figura C.15.
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 130 Se le hicieron unos orificios por los lados para poder atornillado con el servomotor. La base está pegada al pie del robot. Figura C.16. El pie tiene las siguientes dimensiones, estas dimensiones fueron establecidas de la siguiente manera porque gracias a esto al momento de caminar, no abra problemas con el equilibrio, ya que si los pies son excesivamente grandes, el rango que tendría que levantarse el servomotor del pie y el peso que tendría que cargar la otra pierna, sería muy grande. Si estos fueran muy chicos, el robot tendría muchos problemas al caminar porque tendría que controlar el equilibrio y las inercias provocadas con los pesos y movimientos. Por lo tanto se establecieron las medidas de los pies y fueron las siguientes.
  • ANEXO C. PLANOS DE PARTES DEL ROBOT 131 Figura C.17. El pie en el diseño de SolidWorks quedo ensamblado de la siguiente manera. Figura C.18.
  • ANEXO D. BITÁCORA DE PRUEBAS 132 ANEXO D. BITÁCORA DE PRUEBAS Problemas presentados Los problemas que obtuvimos a lo largo de la realización del prototipo fueron varios, uno de ellos fue la batería que estábamos utilizando, ya que esta se descargaba muy rápidamente dado que eran muchos servos que se tenían que utilizar para poder realizar el caminado, se sustituyó por una batería LIPO mucho más potente de 7.4 Volt a 1.5 Amp., la cual tiene un tiempo de descarga mayor. Otro problema fue la realización del barrenado en donde irían sujetados los servomotores a la estructura de acero inoxidable, ya que tienen que estar precisos. Además de las dimensiones y forma de los pies, ya que primeramente se tenía una forma circular de los pies y pequeña en cuanto a dimensiones, sin embargo se rediseñaron los pies por unos más grandes y de forma octagonal. Para alimentar la tarjeta arduino se tuvo que implementar una batería de 9V independiente a todos los circuitos del robot, ya que si la alimentábamos con la batería LIPO ocasionaba problemáticas con los servos porque no respondían adecuadamente. Y demás problemas como el cableado que se requería para cada servomotor, se implementó un pedazo de protoboard para evitar uniones de conexiones y ahí se manejaron las salidas de voltaje y de tierra para cada servomotor. Así como también en la programación de los servos se tuvieron que calibrar uno por uno para poder tener un movimiento armónico y similar al caminado de un ser humano.
  • CONCLUSIONES PERSONALES 133 CONCLUSIONES PERSONALES ARMENTA ALBA ABRAHAM Después de haber construido y programado el nuevo robot bípedo, se cumplió con la meta de mejorar el prototipo del semestre anterior, en este semestre se pudo apreciar que el robot si pudo caminar, aunque se tuvieron ciertos problemas al final porque hubo un desfase en los motores, y la programación que se tenía realizada ya no era la correcta, se apreció como comenzó a caminar el sistema del robot bípedo, inclusive con la programación para que pudiera sensar, si existía un obstáculo o no que interfiriera con el caminado del robot, si existía tal obstáculo el robot tenía que buscar un camino que estuviera libre para poder caminar por ahí. Todo esto funcionaba gracias a la programación, servomotores y el sensor ultrasónico. Aunque se tuvieron ciertos inconvenientes con la construcción del sistema bípedo, se sacaron adelante y se construyó de una buena manera el robot, el inconveniente más significativo que se tuvo en la construcción del prototipo fue que al momento de caminar, el eje de los servomotores de 360° hacia que las piernas se comportaran como un péndulo y esto afectaba considerablemente el caminado del robot, porque las piernas chocaban y esto ocasionaba que el robot se cayera. Este problema se solucionó poniendo unos soportes por un lado de los servomotores de 360°, los soportes funcionaban cuando el robot se inclinaba para caminar y poder dar el paso, soportando de cierta forma el peso de la estructura y evitando de forma considerable el oscilamiento de las piernas. Fue de gran ayuda, que en esta ocasión las piezas del robot se mandaron a hacer y ya quedaron de la medida deseada, de la forma deseada y con todas las especificaciones establecidas en el diseño del robot, de esta manera las piernas eran completamente regulares
  • CONCLUSIONES PERSONALES 134 una con la otra y no había desestabilidad por diferencia de tamaños entre los componentes del sistema. Fue de mucho apoyo que se trabajó con el software de diseño “SolidWorks” al mismo tiempo que se construía el prototipo, de esta manera si se hacían modificaciones o se proponían mejoras, primero se representaban de forma gráfica en el software y después se analizaban ahí para que dé ultima forma se decidiera si era conveniente o no realizar ese cambio. Es muy gratificante el haber terminado de construir el robot, porque siempre fue un reto para nosotros, al principio se planeó implementar un sensor acelerómetro y giroscopio para evitar líneas de código en la programación referente al equilibrio, pero finalmente se decidió realizar el proyecto con pura programación, identificando cual era el estado estable del robot, de acuerdo a los servomotores, localizando en qué posición se debían colocar los servomotores para lograr un equilibrio al momento de caminar y al momento de quedarse parado, otro factor muy importante es el estudiar detalladamente cual es el orden de movimiento de cada motor, porque si este no es el adecuado, las piezas pueden chocar entre si y ocasionar que el sistema caiga, es cuando decimos que es importante realizar un diagrama de flujo y hacer pruebas con este para ver si es el conveniente.
  • CONCLUSIONES PERSONALES 135 BROWN SALAZAR MIGUEL ANGEL Mi proyecto en la materia de robótica 2 en este semestre fue, la construcción de un robot bípedo. Como ya se había trabajado durante el semestre anterior con un proyecto similar, el equipo sabía por dónde se debía comenzar a trabajar y de qué manera hacerlo, un error el semestre pasado fue que las piezas se hicieron manualmente por el equipo y debido a esto, no quedo al cien por ciento estable o de las mismas medidas cada parte del robot, este semestre se mandaron a hacer las piezas para que quedaran lo mejor posibles. Una cosa a nuestro favor fue, trabajar simultáneamente con el software de diseño “SolidWorks”, de esta manera siempre se fue visualizando la idea que se tenía al construirlo y también si se querían hacer cambios, primero se visualizaban en el software, para ver si eran convenientes o no. Cuando se tuvo el diseño final, se utilizó la herramienta de renderizado en este mismo software, esta herramienta permite tener una visualización del diseño con aspectos reales, de acuerdo a los materiales utilizándose en ese proyecto, otro problema que se tuvo, fue cuando se estaba probando el prototipo porque cuando se le mandaba la instrucción de comenzar a caminar, las piernas se comportaban como péndulos, el eje del servomotor los hacía oscilar y esto entorpecía todo el movimiento. Para solucionar ese problema se pusieron unos soportes y de esta manera, cuando la pierna quería empezar a oscilar, los soportes lo detenían. Fue muy interesante como se tuvo que hacer la secuencia de cada servomotor para poder hacer que el robot caminara, para esto se tuvieron que realizar pruebas para determinar el rango de movimiento de cada servomotor y ayudar con esto a la estabilidad del mismo. Sinceramente este proyecto de nuevo fue un reto para nosotros, porque aparte de realizarlo perfeccionando el prototipo anterior, se tenían que ir documentando todas los avances, se trabajó también con una página web, donde se actualiza toda la información recaudada, por si otros alumnos desean construir un robot similar a este, el proyecto que se
  • CONCLUSIONES PERSONALES 136 realizó durante este semestre les sirva como una guía al momento de estar construyendo su propio robot bípedo. Una pieza muy importante en este proyecto fue la batería, se tuvo que buscar una batería que cumpliera con los requerimientos de este proyecto, que son todos los servomotores. La batería con la que se alimentan los servomotores, provee demasiada corriente, por lo tanto se tuvo que implementar otra batería para la alimentación de la tarjeta arduino. Es muy satisfactorio para todo el equipo, el poder presentar nuestro trabajo de todo el semestre en la feria de mecatrónica 2013, es un logro muy significativo para nosotros, así como también, es importante que las demás personas del tecnológico y las que no están en el tecnológico noten que, dentro de esta institución se está trabajando para seguir progresando y que empresas se acerquen e interesen por los proyectos realizados por los estudiantes del tecnológico. Espero que después de este trabajo, los demás alumnos se interesen por proyectos como este y mejoren el que se realizó por este equipo durante este periodo de AgostoDiciembre para que en las próximas ferias de mecatrónica, se vean proyectos más sofisticados.
  • CONCLUSIONES PERSONALES 137 CAMACHO LEÓN HÉCTOR EDUARDO A lo largo del semestre Agosto-Diciembre en la materia de robótica 2 se fue desarrollando semana tras semana el seguimiento de nuestro proyecto presentado frente al grupo todos los viernes, todo esto con la finalidad de que estuviésemos cumpliendo en tiempo y forma con nuestro cronograma de actividades que al inicio del curso de la materia habíamos planteado como es que se iba a trabajar en cada uno de nuestros proyectos. En lo personal me agrado este tipo de dinámica dado que es una manera de no dejar todo al último momento y en vez de eso trabajar constantemente sin presiones. Además cuando se presentaban problemas ocurridos por cuestiones distintas los demás compañeros nos pudieron haber mencionado ideas o soluciones a nuestras necesidades así como también la experiencia del maestro y las posibles soluciones. El equipo está conformado por 5 integrantes, de los cuales cada uno de ellos tenía una tarea específica respecto al desarrollo del proyecto, unos realizaron la programación y el armado del robot, otro compañero realizo el diseño en SolidWorks, otro se encargó de los avances presentados semana tras semana, y por mi parte me encargue de la realización de la documentación la cual consta de todo lo que hicimos para obtener dicho proyecto, esta documentación está muy bien explicada con el fin de que cualquier persona que le interese saber más acerca de los robots bípedos pueda entenderlo con facilidad, y que además si lo desea pueda seguir con el desarrollo del mismo, ya que este robot bípedo que realizamos fue con el fin didáctico para que las personas que les interese expandan sus conocimientos, ya que actualmente existe poca información de este tipo de robots, porque las compañías que los desarrollan no comparten su investigación con las demás personas. El prototipo realizado se pretende dejar en el club de robótica del Instituto Tecnológico de Culiacán, por la misma razón de que las siguientes generaciones a nosotros
  • CONCLUSIONES PERSONALES 138 puedan seguir investigando acerca de los robots bípedos y por ende continúen con el desarrollo del mismo, incorporarle cabeza, manos, inclusive elementos de manipulación, como pinzas en las manos, alguna herramienta, etc.
  • CONCLUSIONES PERSONALES 139 OCHOA SILVA FRANCISCO JAVIER Este trabajo fue muy interesante para nosotros, porque se tuvo que hacer una investigación a fondo de cuál era la manera más adecuada para realizar este proyecto, gracias a la investigación realizada, se pudo implementar el sensor adecuado y de la manera adecuada aunque desgraciadamente se tuvieron problemas técnicos al momento de presentar el prototipo en la feria de mecatrónica 2013, aunque este prototipo solamente tiene un fin didáctico por el momento, este puede tener muchas aplicaciones en un futuro, como por ejemplo, en situaciones de desastre en el área de búsqueda y rescate, otra aplicación puede ser el simple hecho de querer investigar o querer recabar información acerca de algún área que jamás ha sido explorada o puede haber cierto riesgo al tratar de investigar esa área. Otra aplicación muy importante que puede darse a estos prototipos es en el campo de la biomedicina, biomecánica o biomecatrónica, porque al momento de estar tratando de imitar la morfología del ser humano, se están haciendo investigaciones de máquinas o dispositivos que pueden ayudar al mismo ser humano, por ejemplo en la fabricación de prótesis. Actualmente este tipo de dispositivos pueden llegar a ser muy costosos debido a la tecnología que utilizan, aparte de que al momento de estar siendo usados por un ser humano, deben cumplir con una cierta calidad o una cierta norma que garantice el bienestar del paciente o persona que va a estar utilizando este prototipo, si se desea implementar el robot bípedo en el campo de las prótesis, se le pueden implementar muchos dispositivos o hacer muchas mejoras, como por ejemplo, utilizar sensores de presión, para que el paciente se sienta más seguro al momento de caminar, el sensor funcionaría de tal forma que, cuando el paciente recargue su peso en la prótesis para caminar, se activara el sensor y por lo tanto un seguro en las articulaciones que aseguren el bienestar del paciente y que este no termine cayendo en el suelo, esto se puede lograr con un buen diseño mecánico, una buena programación y una buena calibración de los sensores que van a utilizarse.
  • CONCLUSIONES PERSONALES 140 Aunque desafortunadamente el robot bípedo no funcionó como se deseaba fue muy interesante y un reto para todo el equipo que realizo este proyecto debido a la complejidad de este porque a diferencia de otros prototipos, en este se debe tener una programación más exacta ya que se trabaja a base del equilibrio, si no se tiene un buen equilibrio el robot bípedo se balancea y al caminar, termina cayendo.
  • CONCLUSIONES PERSONALES 141 PIÑA SOTO DIEGO Se puede concluir que después de más de 3 meses de trabajo en el diseño y construcción de nuestro robot bípedo, se llegó a lo esperado pero siempre con la complejidad de querer hacer más, al principio de nuestro proyecto como ya nos tocó trabajar en equipo, a cada quien se le asignó una tarea específica durante todo el curso, esto para abarcar todos los aspectos a considerarse al finaliza el semestre, al principio todos nos enfocamos a buscar información respecto a la morfología del robot bípedo, para esto estudiamos el cuerpo humano y como podría ser un caminado ideal para llegar a una mayor estabilidad, para ello junto con la información obtenida también se estaba haciendo una aproximación del diseño a considerarse, para esto utilizamos la herramienta llamada SolidWorks, ahí nos daríamos cuenta de cómo iba retomando forma nuestro prototipo, esto nos sirve de gran ayuda para no tener errores al momento de ensamblar nuestro robot y tener ya en el diseño previo donde iría cada uno de los componentes, después de ver un diseño bípedo que nos gustó, optamos por hacer ya lo mecánico, ya teniendo las piezas ensamblarlas a como era el diseño, después se investigó respecto a los sensores, con ayuda del internet y de unos compañeros, nos dimos cuenta que el sensor que ocupábamos era un sensor ultrasónico, al estudiar completamente la morfología del cuerpo humano, nos metimos en la complejidad de nuestro prototipo, solo estaba investigado a utilizar servos de 180° pero no nos percatamos hasta después que en la parte de la cadera se ocupaba unos de 360°, por ello nos dimos a la investigación de ellos y como se maneja diferente ya que trabaja con velocidades y no con posiciones, a veces se desfasaban los servos y cualquier pequeño movimiento de su velocidad se obtenía un sistema en nuestro prototipo inestable, este proyecto nos ayudó a entender lo difícil que es el estudio de los movimientos del cuerpo humano pero sin antes aclarar, nosotros lo hicimos con la intención de que en algún futuro a nuestro diseño se le haga modificaciones y avancen a generar un mejor prototipo de mayor estabilidad y que ayude a la sociedad, nos enfocamos en
  • CONCLUSIONES PERSONALES 142 esta investigación por lo general por las personas que tienen alguna discapacidad y es necesario una prótesis para ello, también como robot de ayuda a partes donde par ale humano es difícil su traslado y altamente peligroso, pero para llegar a esa meta queda mucho por hacer, pero todo lo que se proponga uno se puede lograr con tiempo y dedicación, me gusto el haber experimentado este proyecto.