Proyecto FIR
Robot Sigue Líneas y Luz analógico fácil y Barato
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Palabras Claves	CNY70, siguelineas, sigueluz, barato, fácil
Versión – Fecha	1.0 – 20/08/2009
Licencia	Creative Commons 3 (por defecto)
Autores / Colaboradores	UcFort
Tipo Robot	SigueLineas y SigueLuz
Concursos Presentados	Para Talleres
Premios
Web	Construirlo Aquí
Plataforma/Compilador	Analógico
Nivel Software	Ninguno
Notas Software
Nivel Hardware	Fácil, Amateur
Notas Hardware	Libre

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Proyecto FIR: Fácil Iniciación a la Robótica

Este proyecto consiste en realizar un robot sencillo siguelineas y sigueluz analógico, que sirva para iniciarse a aquellos que sienten interés por adentrarse en el mundo de la robótica.

Licencia

Este trabajo esta publicado bajo la licencia Creative Commons en la versión Attribution and Share Alike. Es decir se permite copiar, modificar y distribuir este material siempre que se reconozca al autor y se mantenga la misma licencia

Proyecto FIR
Fácil Iniciación a la Robótica

Autor: UCfort

Marco conceptual

Este proyecto consiste en realizar un robot sencillo, que sirva para iniciarse a aquellos que sienten interés por adentrarse en el mundo de la robótica.

En principio esta pensado para realizarse en seis fases.

Se construirá un robot sin la utilización de microcontrolador, con la intención de facilitar el inicio a los más inexpertos y la comprensión del funcionamiento de los sensores.

Chasis.- Se realizará un chasis con elementos fáciles de encontrar y económicos, en principio una caja de zapatos. Prepararemos el chasis para soportar todas las partes de que constará el proyecto.

Tarjeta de Potencia.- Realizada en base al integrado L293D.

Robotización sin micro

Seguidor de línea.- Empezaremos con un Seguidor de línea o rastreador, con el sensor IR CNY70

Buscador de luz.- Luego montaremos un circuito sensible a la luz, con el cual construiremos un robot buscador de luz con un amplificador operacional.

 

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CHASIS

Chasis para soportar y contener todos los elementos del robot FIR

Al ser este un proyecto de iniciación, se ha optado por realizar el chasis de una forma simple y económica. ¿Por que empezar por el chasis? Al ser este un proyecto de robótica, normalmente, lo que se quiere es ver al bichito correr por la casa y para que esto suceda lo primero que necesitamos es la base, el chasis.

Para la confección del chasis precisaremos del siguiente material:

1.-Caja de zapatos (con tapa independiente).

Tijeras o cuttex.

Alicates.

Grapadora.

Pegamento.

20 cm. de alambre de unos 2mm.

2.- Servomotores tipo futaba.

2.- Ruedas entre 4 y 6 cm. de diámetro.
Cogemos la tapa y medimos 20 cm. a lo largo, marcamos y cortamos la tapa.

 

Este proyecto, esta pensado para llevar motores “servos” tipo futaba, por ello deberemos preparar el trozo de tapa de 20 cm. para sujetar en ella dichos motores. Para ello, en los laterales de la tapa, a unos 3 cm. de la parte exterior de la tapa, (la que no hemos cortado anteriormente) y totalmente pegado a la parte superior, cortaremos a modo de ventanita, un rectángulo para ubicar esos motores, ¡No cortes todo el cartón solo corta una H (tumbada) de forma que quede una sujeción inferior, para luego doblar el resto y así tener un punto de apoyo mas resistente. Este corte debes realizarlo a cada lado de la tapa. Si el alto de la tapa no es suficiente, en vez de una H puedes cortar una T, esta vez sin tumbar.

En ancho de la H, tiene que ser el del motor futaba, menos las pestañas laterales de sujeción, ya que estas deben ir atornilladas a cada lado del rectángulo que hemos creado y reforzado al doblar el cartón.

Introduce el motor en la abertura, y marca los agujeros de las pestañas, luego agujerea con un berbiquí, unas tijeras o lo un destornillador de estrella pequeño, solo tienes que agujerear lo justo para que pasen los tornillos de sujeción del futaba. Posiblemente, no puedas usar los tornillos que lleva el futaba, y tendrás que conseguir 8 tornillos con tuerca de 3mm de diámetro por 20mm de largo. No los pongas aun, antes tenemos que hacer la rueda “loca”.

Coge el alambre y dóblalo en una de las formas que se ven en la figura (la que mas te guste), que la parte superior no exceda los 6 cm. de ancho, en cuanto a la altura, depende del tamaño de las ruedas que vayas a usar. Intenta que la plataforma del chasis quede lo mas horizontal posible. Como guía puede servirte el radio de la rueda más 1cm.

En la parte posterior de la tapa que llevara los motores, haz uno o dos agujeros de forma que toda la parte superior quede dentro del cartón, tal como se ve en la imagen de arriba. Pasa las puntas del alambre de la rueda “loca” por los agujeros. Naturalmente si disponéis de algún tipo de rueda loca podéis colocarla sujetándola como mejor podáis.

Ahora, con un cutter debes abrir un rectángulo en la parte central delantera, haciendo unas incisiones en forma de H, no cortes el cartón, dóblalo hacia abajo. Las medidas deben ser de 30mm por 10mm (en este rectángulo insertaremos el armazón del seguidor de líneas). Así mismo debéis practicar un pequeño agujera para pasar los cables de los motores a la parte superior del chasis y así poder conectarlos.

Ahora pasaremos a la parte superior. Tomáis la caja de zapatos, medís como en el caso anterior una distancia, a lo largo, de 20cm. más 3cm. (23cm). Marcáis una línea de parte a parte a 3cm. de la base. En la parte superior, en el lado que no vamos a cortar marcáis 4cm. y a la altura de los 3cm. medidos anteriormente, marcáis 8cm. Las medidas son a modo de ejemplo, podéis poner otras.

En resumen: os tiene que quedar un dibujo como el que sale a continuación, por cada lado de la caja.

Recortáis la caja y también dais un corte a cada lado, en la parte inferior de la “cola” de esos 3 cm. añadidos, así podremos doblar la cola y cerrar la caja, pero no lo hagáis hasta haber pegado las dos partes.

No olvidéis hacer el rectángulo delantero, para pasar el armazón del seguidor de líneas, esta vez si debéis quitar el cartón sobrante, y el agujero para pasar los cables del motor.

Ahora ponéis una parte sobre la otra y las pegáis dedicando especial atención a la zona donde se apoya la rueda loca, mejor si le dais unos puntos con la grapadora. Una vez seca la cola dobláis y pegáis la cola. Tiene que quedar algo parecido a esto.

Antes de poner los motores, tenemos que trucarlos, ya que los servos no giran 360º, para ello podéis ver el documento creado al respecto en la sección Taller/mecánica de la web.

Una vez trucados ya puedes poner los motores, posiblemente requiera un poco de paciencia por tu parte, ya que los tornillos y el espacio no son muy grandes. Y para finalizar y reforzar la unión del chasis con los motores, haz dos agujeros, uno adelante y otro atrás de cada motor y pegados a el y a un cm. de la parte del motor que queda hacia el centro del chasis, pasa un trozo de cable unifilar o alambre fino por debajo del motor y por encima de las dos capas del chasis a modo de abrazadera y aprieta el conjunto.

Para poner las ruedas, usa los accesorios perforados que vienen con el servomotor. Debéis procurar que tengas la suficiente adherencia al suelo como para poder arrastrar al FIR y procurar cargar el peso sobre las ruedas, tener en cuenta que al trabajar sobre suelo liso, esto puede ser un factor importante para el buen funcionamiento del microbot.

Y para que no penséis que todo esto es solo teoría, aquí tenéis unas imágenes de nuestro chasis de caja de zapatos.

Ahora, si queréis ver como corre, no tenéis más que conectar los motores a una pila, posiblemente, si no acertáis en la polaridad, se pondrá a dar vueltas como loco J . Eso si, no lo hagáis sobre un campo de piedras, hacerlo sobre baldosa o una superficie lisa y plana.

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TARJETA DE POTENCIA

Control y potencia para los motores.

Para esta fase del proyecto precisaras de los siguientes componentes:

Alicates.Placa ProtoboardCable unifilar aislado.CI. L293D o L293BCI. HEF40106 o 74HC144 pilas pequeñas 1’5V1 Portapilas para las 4 pilas.

Si has hecho la prueba de conectar los motores al chasis, habrás visto que si, que se pone en marcha, pero sin control alguno. Así que tenemos que buscar la manera de que se siga moviendo pero podamos controlarlo electrónicamente.

Para ello usaremos nuestro primer Circuito Integrado. El L293B

El L293B es un driver de 4 canales, capaz de dar una corriente de salida mayor o menor, según el modelo sea B o D

L193B – 1 A por canal, con un pico de 2A por canal.

L193D – 0,6 A por canal, con un pico de 1,2 A por canal.
Para el robot que vamos a montar, el modelo D es más que suficiente ya que nuestros motores (los aconsejados en este proyecto) no consumirán más de 200mA. Pero también existe otra diferencia entre el modelo B y D, además de ofrecer uno más potencia que el otro, el modelo D viene protegido de fabrica contra los picos de intensidad, con unos diodos integrados en su circuito.

Este es la distribución de los pins de integrado y su estructura interior. En la sección de componentes, tenéis más información sobre el L193D Os recomendamos que le echéis un vistazo.

Para realizar nuestra tarjeta de potencia, además necesitaremos de otro integrado: El HEF40106 Se trata de un disparador Schimitt-trgger de 6 puertas inversoras. ¿Para que este integrado? Si os habéis fijado (sección componentes de la web), para que un motor pueda cambiar de sentido de rotación, unas veces tenemos que poner tensión en uno de los drivers y quitársela al otro, y para cambiar de sentido, al revés. Pues para hacer esto nos ayudara este integrado, que como ya hemos dicho es un “inversor” esto quiere decir que cuando le mandamos tensión a una de sus entradas, su salida correspondiente esta a 0 y al revés, si no mandamos ninguna tensión o esta es muy baja (aproximadamente por debajo de 1.4 V.), en su salida nos dará una tensión estable de 5V. La siguiente imagen, en la que sale medio L293D, os ayudará a comprender lo dicho.

Como veis, gracias a una de las puerta del HEF40106, mientras en una de las entradas del drives tenemos 5V en la otra tenemos 0V y al revés, según sea la señal que se mande 5V / 0V a la puerta del HEF40106.

El esquema completo del circuito eléctrico es el siguiente. En el se pueden apreciar las dos mitades del CI L193D acompañadas de sus respectivas puertas inversoras. Además, si bien nosotros usaremos la misma tensión para todo el conjunto, el L293 tanto B como D tiene una entrada diferente (la que viene señalada como VCC, pin 8) para la tensión de los motores, con lo cual se le puede aplicar, si es necesario, mayor voltaje que al CI.

En montaje que tenéis que realizar, lo podéis ver en la siguiente imagen, si disponéis de una protoboard grande, montarlo en un lado, así se podrá montar todo el FIR en una sola tarjeta. Además, el HEF40106 será compartido también por los otros circuitos.

Si nunca habéis realizado montajes en protoboard, puede que os resulte complicado, pero aun así es la forma más sencilla de hacerlo. Intentar relacionar el esquema superior con el montaje en la protoboard.

Una vez montado el circuito sobre la protoboard, conectáis los motores a las salidas señaladas como “salida motor 1” y “salida motor2”, y las salidas Control 1 y control 2 a +V, de forma que los dos motores giren en el sentido que hagan avanzar el FIR, sino es así vais cambiado la polaridad hasta conseguirlo. No olvidéis que para que giren las salidas de control tienen que estar a +V. El sentido de la corriente que va a los motores, lo hemos preestablecido, conectando los pins 5 y 9 del HEF40106 a +V. Una vez hecho esto, a modo de prueba, podéis quitar la conexión marcada como X y veréis como los motores giran en sentido contrario.
También te recomendamos que pongas un interruptor entre la pila y la protoboard, así tendrás un mayor dominio a la hora de ponerlo en funcionamiento. Como veis, continuamos igual que antes, los motores solo giran en un sentido sin posibilidad de cambiar si no es actuando físicamente sobre los cables, pero ahora ya tenemos puesta la primera parte para conseguir controlar eléctricamente el robot.

En las siguientes imágenes puede verse el FIR con la protoboard con el circuito de potencia. Puede observarse que se han añadido unos soportes para la protoboard para que no vaya de un lado a otro ya que las conexiones en este tipo de montaje son muy delicadas.

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SEGUIDOR DE LÍNEAS

Implementación del sistema para el robot rastreador
En la presente fase haremos el circuito para convertir a nuestro robot FIR en un rastreador, un seguidor de línea. Para ello necesitaras los siguientes elementos.

Soldador de estaño

Estaño.

2 Sensores IR CNY70

2 Resistencias 47k ohmios.

1 Resistencia 220 ohmios.

Cable unifilar aislado.

1 HEF40106 (que debemos tener del otro circuito)

1 Placa protoboard. (que debemos tener del otro circuito)
La base del seguidor de líneas, es el sensor de reflexión CNY70 Se trata de un emisor y un sensor IR (infrarojo) de reflexión, encapsulados en un pequeño cubo de aproximadamente 1x1x1cm. Este tipo de sensores IR, se suelen presentar en dos formas, reflexión y corte (como el H21A). El de reflexión, como su nombre indica, funciona mediante la reflexión (rebote) del rayo que genera el emisor, sobre una superficie reflectante, blanco máxima reflexión, negro mínima. El de corte funciona interponiendo un obstáculo opaco entre el emisor y el receptor. Las distancias que pueden cubrir estos dos sensores, son de unos pocos milímetros, 2 o 3, pero es suficiente para nuestro proyecto.

En la siguiente imagen podéis ver el esquema interno del CNY70, su conexión y la relación de esta con el patillaje del componente, así como dos de estos componentes.

El esquema del circuito que debemos montar podéis verlo en la imagen inferior. Además, los pins 3 y 4 del conector J1 deberán conectarse al HEF40106, que ya hemos montado en la protoboard en el circuito anterior.

Pero antes de montar este circuito, debemos preparar los CNY70 para poder conectarlos al mismo y a la vez, poder situarlos donde queramos en el chasis del FIR. Para ello necesitaremos el soldador y seis trozos de cable unifilar aislado de unos 10/15cm. cada uno, tres para cada CNY70.

En primer lugar, debéis doblar uno de las patitas del sensor, la que viene marcada como A por ejemplo, sobre la C. Para identificarlos, fijaros bien en el dibujo y en la situación de los dos puntos emisor y receptor, así como en la situación del nombre que viene grabada en el encapsulado y que salen en la imagen anterior, la del esquema de conexionado. Estos pins van los dos a VDD. Una vez doblado uno sobre el otro debéis darles un punto de soldadura para asegurar la unión. Luego debemos soldar a cada uno de los tres pins resultantes los tres cables, para ello procedéis a preestañar los tres pines, esto es, ponerles un poco de estaño a cada uno, y a uno de los lados de cada cable, esto facilitara la posterior soldadura de los pins con los cables.

Una vez preestañados, juntáis cada uno de los cables (uno después del otro) con un pin del CNY70, calentáis un poco hasta que queden unidos al fundirse y enfriarse el estaño puesto.

Si nunca habéis soldado, puede que os resulte complicado. Probar antes con trozos de cable, hasta que cojáis soltura, ya que el CNY70 podría destruirse si lo calentáis en exceso.
Ahora debéis preparar la funda para poner los dos CNY70 a fin de fijarlo al chasis del FIR, para ello en la imagen siguiente tenéis, un posible sistema.

Del cartón de la misma caja de zapatos preparáis un trozo como el N1 del dibujo, dejando las pestañas y cortándolas por la línea de puntos. La anchura viene especificada en milímetros., los dos cuadrados tienen la misma medida 24mm y los rectángulos que van de arriba abajo también 8mm. La altura depende de la altura que tenga vuestro FIR desde el suelo a la base plana del chasis, debiendo ser 2 mm. menor que esta. Una vez cortado, lo doblaréis según se ve en la figura 2, para contener en su interior los CNY’s, debéis poner cola alrededor de las cápsulas de los CNY70’s a fin de que queden sujetos al armazón y a ras del la zona que no lleva pestañas. ATENCIÓN. Marcar los cables indicando que conexión tienen con el CNY70, de lo contrario, al introducirlos en el armazón, no sabréis cual es cual.

Después cortáis un rectángulo como el de la figura 3 vaciando el centro sombreado, pegáis este rectángulo sobre las pestañas de la figura 1. El conjunto tiene que quedar como se ve en 4. Este armazón, lo pasamos por el agujero que habíamos practicado en la parte delantera central de chasis. Debe quedar algo así como se ve en la figura.

Y ya llego la hora de montar el circuito en la protoboard. Abajo podéis ver como tiene que quedar. Es un buen ejercicio, buscar los componentes y conexiones nuevas y relacionarlas con el esquema.

Quizás os preguntéis ¿para que intercalar el inversor HEF40106? ¿por que no conectamos directamente la señal del CNY70 al control del motor si además nos da una señal inversa a la que realmente tenemos?. En primer lugar, lo que nos interesa en este caso del HEF40106 es su función de disparador Schmitt-trigger, ¿que significa esto? La señal que sale del sensor CNY, no es digital, es decir no da 0V o 5V, sino que varia según sea la superficie reflectante, blanca, gris, gris oscuro, negro y así con todos los matices. El 40106 estabiliza esta señal, no haciendo caso de voltajes bajos y entregando una tensión constante, dentro de un margen, esto queda más claro en el grafico inferior. ¿Inversor? Bueno, no hemos sabido encontrar un CI Schmitt-trigger que no fuera inversor, además, necesitamos un inversor para la señal de sentido de giro de los motores y no vamos a tirar las cuatro puertas restantes del 40106.

 

Como funciona el sistema.

Como veis, hemos conectado el control de los motores a la salida de las puestas inversoras que reciben la señal de los CNY70. Lo normal es hacer las pistas (la línea a seguir) en negro sobre fondo blanco, una línea de 2 a 2,5cm de ancho. Cuando los sensores estén sobre esa línea, no mandaran señal al inversor, y el inversor, como tal, mandara un 1 lógico a las entradas de control de motores, con lo cual el FIR avanzara en línea recta. Cuando uno de los sensores, pongamos el de la derecha según el sentido de la marcha del robot, se salga de la pista, mandara un 1 lógico a su puerta inversora, con lo cual esta sacara un 0 hacia el control del motor y este se parara. Sin embargo, los sensores y los motores deben estar cruzados, es decir, el sensor de la derecha debe controlar el motor de la izquierda, y el sensor de la izquierda debe controlar el motor de la derecha. Esto es fácil de hacer ya que solo tenemos que poner el armazón de los CNY70 girado en un sentido u otro según veamos que nos funciona. O mas fácil, intercambiar la posición de los cables que llevan la señal E.

Si no comprendéis porque deben estar cruzados, hacer las pruebas y lo entenderéis, tampoco vamos a hacerlo todo nosotros 🙂
Como en las otras ocasiones aquí tienes unas fotos de nuestro montaje.

Ahora no tienes mas que hacerte con una (o varias) cartulinas blancas y diseñar tu circuito. Procura que el negro sea negro, negro, lo mejor es usar cinta aislante negra. Recuerda que la línea tiene que ser lo suficientemente ancha para que quepan los dos sensores CNY70 sobre ella.

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SEGUIDOR DE LUZ

Robot seguidor de un haz de luz.

La base de este robot es el AO (Amplificador operacional) LM741 usado como comparador. Para este circuito, vamos a necesitar algunos componentes más que para los anteriores:

1 Circuito Integrado LM741

2 Resistencias LDR

1 Diodo 1N4148

2 Leds (del color que más os guste)

1 Transistor CB548

1 Resistencia 47k ohms

2 Resistencias 10K ohms

2 Resistencias 1 k ohms

1 Resistencia 220 ohms

1 CI. HEF40106 (que debemos tener del otro circuito)

1 Placa protoboard (que debemos tener del otro circuito)

Cable unifilar aislado

Esquema eléctrico del buscador de luz.

Normalmente al AO LM741 se le aplica una alimentación simétrica, es decir +15V al pin 7 y -15V al pin 4, sin embargo, y para simplificar el circuito se ha alimentado con +5V y 0V, funcionando, para este circuito, correctamente.

Las resistencias LDR son resistencias sensibles a la luz. Al incidir luz sobre ellas su resistencia disminuye, a mayor cantidad de luz, menor resistencia. El LM741 lo usaremos como comparador. Como se desprende del esquema, lo que vamos a comparar es la diferencia de pontencial entre las dos LDR la cual dependerá de la luz que incida sobre cada una de ellas.

Según sea LDR1 o LDR2 la que reciba más luz, en la salida del LM741 (pin 6) tendremos una tensión cercana a los 5V o a 0V. El transistor esta polarizado como inversor, con lo cual conduce al no recibir corriente en su base y al revés, cuando recibe corriente esta en corte. Por lo tanto y si os fijáis en el esquema, se deduce que al salir corriente del LM741 el pin 1 de J1 tendrá señal y cuando no haya corriente a la salida del LM741 será el pin 2 de J1 el que tendrá señal, la cual le llegara a través del transistor, que como ya hemos dicho esta polarizado como inversor.

Se recomienda que las fotoresistencias LDR se conecten a la protoboard mediante un cable de unos 15 cm. para ello habrá que soldarlo a los terminales de la LDR, pero así podremos colocar las resistencias donde queramos, por ejemplo a cada lado del frontal de FIR. Las LDR carecen de polaridad, es decir podéis conectarlas en el sentido que queráis. Los leds son puramente decorativos, pero también se pueden unir con la protoboard mediante cables y así situarlos donde queramos. Los leds, tienen polaridad, es decir uno de sus terminales debe ir a +V y el otro a 0V, fijaros en la orientación de la parte plana de los leds en la foto del montaje, de lo contrario no funcionaran, si bien esto no altera el funcionamiento del circuito en cuanto al encendido de motores.

En la foto puede verse el montaje en protoboard. Las conexiones de salida del comparador y su conexión a las entradas del HEF40106 vienen en azul. Para seleccionar entre el modo rastreador o buscador de luz, se conectaran o desconectaran unas u otras señales, nunca deben estar las dos conectadas. Al circuito no le pasaría nada, pero su actuación seria inpredecible.

En esta ocasión, no os explicaremos que LDR enciende o apaga que motor, os dejamos que lo descubráis. En la robótica hay mucho de experimentación. El montaje ha sido comprobado y funciona, solo que según como lo montéis buscara la luz o huirá de ella. Recordar que el HEF40106 invierte la señal que recibe.

Aquí tenéis una foto de la protoboard que hemos montado, como veis esta “limpia”, sin ninguno de los cables que van o vienen de otros componentes.

En la siguiente foto esta montada sobre el chasis, y con las conexiones necesarias para actuar como buscador de luz. En este montaje, las LDR y los led’s están en la protoboard, pero si como ya comentamos, los unís a la placa mediante un cable, podéis situarlos en en frontal del FIR. Luego podéis dejarlo suelto y que vaya dando vueltas buscando la luz o bien coger una linterna y guiarlo iluminando una u otra LDR.

Ahora, a jugar, experimentar, hacer cambios y lo que se os ocurra.

 

 

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Archivos del proyecto

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Coste Robot

Item	Euros €
Servos	10€
Driver	3€
Cny70 y LDR	0.70€
estructura	gratis
Total:	13.70€

 

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Conclusión

Aprende los básico sin programar para hacer un robot con ruedas siguelineas y sigueluz.

 

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Bibliografías

 

 

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Agradecimientos

A ARDE,