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Primera
parte: Hardware
Fig. 1
Debido a la cantidad cada vez mayor de gente que empieza
a interesarse por el mundo de los microbots, he decidido diseñar uno de
estos artilugios utilizando únicamente piezas comerciales o de fácil adquisición.
Generalmente este tipo de robots construidos en casa suelen ser creados
con piezas rescatadas de viejos aparatos destinados a la basura, lo que
los hace bastante baratos, pero también muy personales e irrepetibles.
Cuando alguien me pide las instrucciones para montar un microbot como
"Bicho-1" tengo que decirles que no puedo darlas, no porque
no quiera, sino porque "Bicho-1" estaba montado alrededor de
piezas que tenía por casa o que he encontrado por casualidad. No puedo
dar una lista de compra para que otras personas puedan construirlo. Con
"Bicho-2" intento que esto no sea así y que cualquiera que tenga
ciertos conocimientos básicos de electrónica, algunas herramientas y un
poco de habilidad con ellas pueda construir uno semejante.
Bicho-2 es un microbot cilíndrico, de unos 12 cm de
diámetro y 6 de altura. Tiene dos motores que actúan de forma diferencial
sobre sus dos únicas ruedas y que le permiten moverse con total libertad
sobre superficies lisas. Su "cerebro" es un microcontrolador
PIC 16F84, cuyos puertos controlan la dirección, velocidad y sentido de
los motores, y reciben información de dos sensores infrarrojos de proximidad
y de tres interruptores que detectan las posibles colisiones. Su programa
original (se puede modificar para que realice otras tareas, como seguir
líneas dibujadas en el suelo) le hace deambular evitando chocar contra
cualquier obstáculo, deteniéndose de vez en cuando y reanudando la marcha
tras cierto tiempo.
LA
BASE Y LA CARCASA
El cuerpo principal del robot está formado por dos
piezas de metacrilato o plexiglás: una, con forma aproximada de disco,
constituye la base (ver fig. 2), y otra, de forma cilíndrica, protege
todo el conjunto. La pieza cilíndrica se encuentra "flotando"
sobre la base, de forma que, si el robot choca contra algo, el movimiento
relativo entre ambas piezas permita la activación de tres microinterruptores
solidarios con la base. Estos microinterruptores, que a partir de ahora
llamaré bumpers (a veces conviene recurrir al inglés para abreviar), son
del tipo "de lámina", y van colocados como se ve en la figura
3, siendo la parte superior de ésta el frontal del robot. Lo que permite
que la carcasa quede bien sujeta a la base pero flotante son tres cables
de acero colocados uno al lado de cada bumper.
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Fig. 2: Pieza de la base
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Fig. 3: Base con los interruptores
y la carcasa
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Para hacer el cuerpo principal del microbot necesitamos
el siguiente material:
- 2 láminas de metacrilato de 2 mm de grosor, una
para la base y otra para la carcasa.
- 3 microinterruptores SPDT de lámina.
- 3 tornillos de métrica 2 mm con sus tuercas.
- Alambre delgado de acero (leer más abajo).
- Chapa de cobre (leer más abajo).
- 6 tornillos de métrica 3 mm con sus tuercas.
- 2 separadores hexagonales de latón con sus tuercas.
Para no arriesgar, es muy recomendable acabar de leer
todo este artículo y tener claro qué tipo de motores se van a utilizar,
ya que las medidas de las piezas y la posición de los agujeros dependerán
de éstos. Esa es la razón por la que no doy medidas precisas, la forma
de las piezas es sólo orientativa.
Podemos encontrar láminas de metacrilato cortadas a
medida en algunas tiendas de materiales plásticos. También se venden en
muchos sitios láminas de tamaños fijos para cubrir cuadros. Una vez que
obtengamos el material, daremos forma a la pieza de la base con una sierra,
lima y un taladro. Lo mejor es utilizar una sierra eléctrica de cinta,
pero se puede lograr lo mismo con una sierra de mano y algo de paciencia.
Si no se dispone de taladro eléctrico para hacer los agujeros, un berbiquí
de mano es la solución más económica.
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Ahora viene lo más interesante: para dar forma
cilíndrica a la otra pieza, la meteremos en el horno de la cocina
a unos 250º C durante 20 minutos. Con mucho cuidado y utilizando
unos buenos guantes de cocina (¡hay que recordar que está a 250º
C!) cogemos la lámina, que ahora estará blanda y manejable, y la
enrollamos alrededor de un objeto cilíndrico y resistente, como
un bote de pintura, que tenga el diámetro requerido, que ha de ser
5 o 6 mm mayor que el de la base. Tras un par de minutos el metacrilato
recuperará su rigidez. Sólo tenemos que pegar los extremos para
obtener un cilindro perfecto.
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Fig. 4 |
| Para la sujeción móvil de
la carcasa a la base necesitaremos tres alambres de acero de unos
4 cm de longitud, suficientemente flexibles y a la vez resistentes.
Después de pensarlo mucho, he encontrado que las cuerdas entorchadas
para guitarra eléctrica son perfectas para este fin. Podemos escogerlas
más gruesas o más delgadas según la sensibilidad a los choques que
le queramos dar al robot. Un buen grosor puede ser el de 0.024 pulgadas.
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Para que los alambres nos sirvan de algo debemos
estañar cada uno de ellos a dos chapas agujereadas que irán atornilladas
a las piezas de metacrilato, como se aprecia, más o menos, en la
figura 5. Pueden servirnos las chapas de cobre que sirven de contactos
en las pilas "de petaca" de 4,5 voltios. Si limpiamos
bien las superficies no deberíamos tener ningún problema para realizar
las uniones con un pequeño estañador.
Las chapas irán atornilladas a la base en los
agujeros de 3 mm que están dibujados al lado de cada bumper en la
figura 3, y a la carcasa en otros tres agujeros que debemos practicar
a la altura adecuada para que el disco de la base quede a ras del
cilindro.
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Fig. 5 |
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Atornillaremos cada bumper a la base mediante
un tornillo de 2 mm, de forma que, aflojándolo, podamos regular
el recorrido necesario para su activación. Se pueden encontrar tornillos
de esta medida en tiendas de hobby y modelismo (demasiado caras),
o en algunas tiendas de componentes electrónicos. Más adelante,
en el apartado conectores explicaré cómo
unir los cables a los terminales.
Para terminar con la carcasa según aparece en
la figura 4 sólo nos queda atornillar los separadores hexagonales
que soportarán la placa con los circuitos. Debemos escoger una posición
en la que no molesten para después colocar los motores.
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Fig. 6 |
RUEDAS
Y MOTORES
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Esta es la parte que más problemas suele dar
al diseñar un microbot casero: ¿qué motores y qué reductoras utilizar?,
¿cómo conseguirlos?, y , sobre todo: ¿cómo adaptar los ejes a unas
ruedas?. He elegido usar un modelo de moto-reductor
distribuido por Micro-log,
principalmente porque es el más barato que he encontrado (alrededor
de 6 euros). Consiste en un pequeño motor de continua con una tensión
de funcionamiento entre 1,5 y 12 voltios insertado en un chasis
de chapa con engranajes, como se aprecia en la figura 7. Cada rueda
está construida con un círculo de metacrilato de 3,5 cm de diámetro
(de forma que sobresale 5 mm por debajo de la base del microbot)
con forma de polea, al que he pegado en su perímetro una junta tórica
de goma.
Este diseño de ruedas no es el único posible
y tiene el inconveniente de precisar ciertas herramientas que no
todo el mundo tiene en sus casas. Aún así, puede servir de insipiración
para otros diseños más asequibles para el lector.
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fig. 7 |
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Material necesario:
- 2 moto-reductores como el de la figura 7,
con eje de 4 mm.
- 4 tornillos de métrica 3 mm con sus tuercas.
- Lámina de metacrilato de 2 mm de espesor.
- 2 juntas tóricas de goma de 2 mm de grosor
y 30 mm de diámetro.
- 4 tuercas de métrica 4.
Con un compás marcaremos un círculo de 35 mm
de diámetro en la lámina de metacrilato, que recortaremos con mucho
cuidado y repasaremos con una lima. En su centro haremos un agujero
de 4 mm. Si no disponemos de torno ni de un taladro con soporte
tendremos que hacer el canal exterior también con la lima y mucha
paciencia, pero si disponemos de tales herramientas podemos rectificar
el círculo y hacer el canal sin ningún problema. Repetiremos todo
el proceso para hacer la otra rueda y pegaremos las juntas tóricas
con un pegamento fuerte que no descomponga la goma.
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Para adaptar cada rueda a los ejes de los moto-reductores
debemos ántes cortar éstos, de forma que quepan bien dentro de la
carcasa exterior del robot. A continuación roscaremos la parte de
los ejes donde vamos a colocar las ruedas, utilizando para ello
una terraja de métrica 4. En las ferreterías podemos encontrar juegos
de terrajas y machos para roscar a precios muy baratos. La calidad
no es demasiado importante si no les vamos a dar mucho uso. En cualquier
caso, siempre podremos acudir a un taller para que nos echen una
mano con nuestro "invento".
Una vez roscados los ejes, sólo nos queda sujetar
cada rueda con un par de tuercas como se ve en la figura 7. En la
figura 8 se muestra el aspecto que debería tener el microbot con
los moto-reductores ya atornillados a la base.
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Fig. 8 |
CONECTORES,
CABLES Y BATERÍA
Es famosa la frase de Anita Flynn, del Instituto Tecnológico
de Massachussets, que dice que "la robótica es un problema de conectores".
Yo no diría tanto, pero es cierto que los conectores pueden llegar a dar
muchos disgustos si no se les da la atención que merecen. Es muy común que
un circuito no funcione por culpa de un mal contacto en alguno de sus conectores.
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En las tiendas podemos encontrar unos
buenos sistemas de conexión para placas de circuito impreso en los
que el macho va soldado a la placa y tiene el aspecto de una hilera
de pines. La hembra soporta los cables, que pueden ir sujetos a
presión mediante "crimpado", o soldados. A nosotros nos
vendrá mejor soldar los cables a los contactos de la hembra, así
no necesitaremos herramientas especiales. En la figura 9 se muestran
las partes de las que consta una conexión de este tipo.
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Fig. 9 |
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Es muy recomendable proteger con funda termorretráctil
todas aquellas soldaduras que lo permitan, como las de los contactos
de los motores y de los bumpers. Nos sobrará con unos 15 cm de macarrón
de 3 mm de diámetro para todo el robot. La forma de utilización
es sencilla: cortamos un trozo de la longitud deseada (unos 6 mm),
lo introducimos en el cable, hacemos la soldadura y calentamos el
macarrón con una pequeña llama o con el propio soldador. Lo mejor
es realizar varias pruebas antes de correr el riesgo de quemar algún
componente delicado.
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La fuente de alimentación de Bicho-2 está formada
por 6 baterías recargables de tipo AA, de 1.2 V y 1000 mAh. Es el
mismo tipo de baterías que se encuentran en el interior de muchos
de los packs utilizados por coches de radiocontrol. Para hacer nuestro
propio pack sólo debemos pegar las baterías de la forma que se muestra
en la figura 10 utilizando un pegamento fuerte y unir en serie los
contactos soldando chapas o cables, de forma que entre dos de ellos
obtengamos una tensión nominal de 7.2 V. A estos dos contactos soldaremos
un par de cables acabados en un conector de 2 vias.
El paquete de baterías irá unido a la base del
microbot mediante una brida para cables de 188 mm que pasará por
los agujeros alargados que aparecen en las figuras 2 y 3. La parte
de la brida que quede por debajo de la base servirá de apoyo para
el microbot.
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Fig. 10 |
CIRCUITOS
Y SENSORES
En los siguientes esquemas se aprecian las distintas
partes de que consta la parte electrónica del microbot. Hay que hacer
click con el ratón en en ellas para verlos con una resolución aceptable.
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Batería y fuente de alimentación
Fig. 11
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Microcontrolador
Fig. 12
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Control de motores
Fig. 13
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Emisores infrarrojos
Fig. 14 |
Sensores infrarrojos
Fig. 15 |
Bumpers
Fig. 16 |
Fuente de alimentación
El robot utilizará dos tensiones diferentes: 5 voltios
regulados para los circuitos digitales y 7.2 voltios sin regular para
los motores. El regulador utilizado para los 5 voltios es un típico 7805
en encapsulado TO220. En la figura 11 vemos también también el interruptor
de encendido, que es de tipo deslizante, un par de condensadores que actúan
como filtros de ruido, y el LED indicador de encendido.
Microcontrolador
El PIC 16F84 controla todas las actividades del microbot
mediante 14 de las 15 líneas de entrada/salida presentes en sus dos puertos
(las flechas en la figura 12 indican cuáles son de entrada y cuáles de
salida). Su frecuencia de reloj está generada por un cuarzo de 4 MHz.
El microcontrador debe ir necesariamente montado sobre un zócalo, ya que
será necesario extraerlo y colocarlo cada vez que se quiera reprogramar.
A la programación del PIC está dedicado todo el artículo siguiente.
Control de motores
Como las líneas digitales no pueden excitar directamente
cargas grandes, es necesario algún componente que amplifique lo suficiente
estas señales. De eso se encarga el integrado L293B, de SGS-THOMSON, que
es un driver de 4 canales que pueden ser utilizados para activar 2 pequeños
motores de contínua y hacerlos girar en ambos sentidos. Entre las características
más interesantes del L293B se encuentran la protección contra sobre-temteraturas,
la alta inmunidad al ruido, la alimentación separada para las cargas y
la capacidad de proporcionar una corriente de salida de 1 A por canal.
Los cables de los motores parten de un conector de 4
pines en la placa del circuito.
Emisor de infrarrojos
En su movimiento, Bicho-1 se guía mediante sensores
infrarrojos de reflexión. Al igual que la luz visible, los infrarrojos
se reflejan en cualquier objeto cercano con mayor o menor intensidad,
dependiendo del material de éste. Existen muchas fuentes de infrarrojos,
naturales o artificiales, a las que el robot podría ser sensible,
por esta razón se modula la señal de infrarrojos a una cierta
frecuencia y se hace que el receptor sólo sea sensible a ésta.
Como se aprecia (más o menos) en la figura 1, existen tres LEDs
en la parte delantera de la carcasa: uno apunta al frente y los otros
dos a los lados, con un ángulo de unos 40º respecto al frontal.
El circuito del emisor de infrarrojos está construido
con cinco de los seis inversores CMOS contenidos en el integrado 74HC04.
Dos de ellos están montados formando un oscilador de onda cuadrada
cuya frecuencia, en torno a los 40 KHz, se puede ajustar mediante el potenciómetro
R4. La salida de este oscilador satura el transistor T1, por cuyo colector
circula la corriente de los LEDs. Cada LED es activado por un inversor,
que actúa como buffer, al poner la entrada de éste a nivel
lógico "0".
Los cables de los LEDs infrarrojos parten de un conector
de 6 pines en la placa.
Receptores de infrarrojos
Simplificando las cosas (ya se
verá con más detalle en la sección sobre
el software), la técnica utilizada para la detección
de obstáculos es la siguiente: el robot envía pulsos
de infrarrojos por uno de los LEDs a la vez que lee la salida
del receptor, si éste recibe los pulsos, existe un obstáculo
en esa dirección. Esto se realiza para cada LED, cubriendo
así las tres direcciones. Aunque, en teoría, bastaría
con un sólo receptor de infrarrojos, en la práctica
el gran ángulo cubierto por los emisores hace que sea más
fiable utilizar dos.
Los receptores son pequeños módulos
encerrados en una cubierta metálica, como los utilizados
en muchos aparatos que funcionan con mando
a distancia. En su interior tienen todo lo necesario para
la recepción, demodulación y amplificación
de la señal. Existen distintos modelos, yo he usado el
GP1U56 de Sharp, cuyo diagrama de conexionado aparece en la figura
17. Su salida es TTL invertida: es "1" en ausencia de
señal, y "0" cuando la recibe. Los cables que
parten de cada sensor llegan a la placa del circuito mediante
un conector de 3 pines.
Como se ve en la figura 1, los sensores de
infrarrojos van montados en el exterior de la parte superior de
la carcasa. Para sujetarlos podemos utilizar pegamento. Lo ideal
es usar adhesivo de fusión dispensado por una pistola térmica.
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Fig. 17 |
Bumpers
La conexión de los bumpers al microcontrolador
es de lo más sencillo. Tres resistencias pull-up se encargan de
mantener a nivel alto las tres entradas del PIC. Cuando el robot choca
con algo y uno de los interruptores se activa, la línea correspondiente
pasa a nivel bajo. Los cables de los tres bumpers van soldados a un único
conector de 6 pines .
Construcción de la placa
Los circuitos están montados en una placa de
fibra de vidrio de pistas paralelas. En este tipo de placas los taladros
ya vienen hechos y están unidos en la parte inferior mediante líneas
paralelas de cobre estañado. Son la mejor alternativa a la engorrosa
técnica del fotograbado en la fabricación de circuitos impresos
permanentes. Para crear las conexiones entre componentes debemos cortar
las pistas con una cuchilla por donde sea necesario y después unir
los tramos de pista mediante cables por debajo de la placa. El aspecto
de la parte superior e inferior de la placa terminada se ve en las figuras
18 y 19. Afortunadamente la parte inferior no es visible una vez que se
encuentre montada en el cuerpo del microbot.
Fig. 18 |
Fig. 19 |
Para permitir la experimentación con distintas
configuraciones de sensores y actuadores, cada uno de los subcircuitos
de las figuras 12, 13, 14, 15 y 16 se construye en la placa de forma independiente,
sin realizar las conexiones de las líneas de datos. Éstas
serán configurables, de la misma manera que los jumpers en las
tarjetas para ordenador. La forma de hacer esto es utilizando hileras
de pines torneados y puentes de cable rígido que inserten a presión
en ellos. En las figuras 19 y 20 se aprecia la placa ya atornillada al
microbot y con los conectores externos de sensores, motores y batería.
En la figura 19 aún no están hechas las conexiones del microcontrolador
a los demás circuitos. En la figura 20 vemos las conexiones implementadas
mediante cables rígidos de color gris y marrón.
Fig. 19 |
Fig. 20 |
Componentes utilizados en el circuito:
- 1 microcontrolador PIC16F84
- 1 74HC04
- 1 L293B
- 1 LM7805
- 1 BC547C
- 2 sensores de infrarrojos tipo GP1U56
- 1 cuarzo de 4 MHz
- 3 LEDs infrarrojos
- 1 LED rojo
- 1 potenciómetro de 5K
- 3 resistencias de 100 ohmios
- 1 resistencia de 390 ohmios
- 5 resistencias de 2.2 K
- 1 resistencia de 6.8 K
- 1 resistencia de 100 K
- 2 condensadores cerámicos de 15 pF
- 1 condensador electrolítico de 330 uF
- 1 condensador de 1 nF
- 1 condensador de 100 nF
- 1 zócalo DIL de 18 pines
- 1 interruptor deslizante
- 1 tira de 36 pines torneados
- 1 conector de 2 pines
- 2 conectores de 3 pines
- 1 conector de 4 pines
- 2 conectores de 6 pines
- 1 placa de pistas paralelas
- Cable rígido de distintos colores
- Cable flexible de distintos colores
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