CONSTRUCCIÓN DE MINI-ROBOT.

La robótica es uno de los temas más apasionantes de la tecnología actual, pero hay una rama derivada de ella que ha cobrado auge entre la comunidad de aficionados y estudiantes, es la mini-robótica, y la presente  es el inicio  de una manera práctica y sencilla de la construcción de un móvil.

Sistema de alimentación:

Se compone de pilas, baterías celdas solares o cualquier elemento que proporcione la energía para “alimentar” al Móvil.

Sistema de control:

Es el que se encargará de procesar las señales de los sensores e indicará el momento del funcionamiento de los actuadores.

Actuadores:

Motores, electroimanes, luces o elementos que lo dotarán de movimiento o respuesta física.

Sensores:

Interruptores, elementos infrarrojos, fotorresistencias, piroelementos o cualquier otro que se le parezca para “sentir” el entorno o estímulo.

Queda claro que aquí involucramos elementos eléctricos y electrónicos, dicho de otra manera “las tripas” de nuestro móvil. Lo sencillo sería comprar el kit, montarlo y admirarlo, pero si algunos quisieran construirlo con sus propias manos e involucrarse más a fondo, tendrían que echar mano de las siguientes consideraciones y de paso ahorrar dinero.

La construcción parte del diseño adecuado que nos dará la pauta para elegir los materiales de la estructura principal y los motores que proporcionarán el desplazamiento o esfuerzo.

No es lo mismo motores de corriente contínua (C.D.) que motores paso a paso, o si llevarán reducción o girarán libremente, si no contemplamos la carga total a desplazar o a qué estímulo va a reaccionar, a la luz o al contacto, éstos y muchos más detalles delimitarán nuestro trabajo.

Por tal motivo iniciaremos la estructura más sencilla y popular para nuestro mini-robot la cual se construye a partir de unos pocos materiales y mecanismos que obtendremos de juguetes en desuso o si la economía lo permite con servos.

El construir un móvil requiere sobre todo de ingenio, razón por la cual soy partidario del “reciclado” de partes y materiales, la gran mayoría de los proyectos de este tipo no requieren gran inversión monetaria por lo que no se preocupen, entre los “trebejos” tienen un móvil en potencia.

En cuanto al material de construcción recomiendo láminas de acrílico, inclusive he visto móviles armados con cajas de CD (discos compactos) o el CD mismo dándole originalidad y vista agradable, el uso de aluminio también es buena opción pero precisa de herramientas más especializadas. Ambas opciones son buenas para la construcción de la base principal ya que ahí soportaremos el peso de las pilas y circuitos así como el fijado de los motores.

Para la realización de los circuitos es importante el uso de tabletas universales por las constantes adiciones de circuitos o modificaciones, para los más osados es válida la realización de circuitos impresos y así darle una mejor presentación en caso de que participe en algún concurso que están ahora en su creciente apogeo. Si sólo desea hacer pruebas temporales el mismo protoboard puede fijarlo en su móvil y hacerlo parte de su base y así realizar las modificaciones de último momento o para ajustes empíricos, recuerde, todo es válido siempre y cuando trabaje ordenadamente y no quiera perderse en una maraña de cables.

Un error constante es el uso de alambres en vez de cables, entre los sensores y circuitos el uso de cables le dan la flexibilidad suficiente para las modificaciones o adición de módulos, el uso de conectores es fabuloso y procuraremos usarlos más a  menudo, el uso de alambres sólo es válido en el Protoboard ya que su rigidez limita los movimientos y es constante un malfuncionamiento debido a alambres cortados entre módulos.

¿Dónde consigo cable flexible?

En cualquier tienda de electrónica encuentra de varios calibres, o si tiene por ahí un Mouse de PC dañado puede obtenerlos de ahí y usarlo para sus conexiones a sus sensores o entre tarjetas, puede reutilizar hasta los sensores que tienen dentro, sólo debemos tener cuidado en que los cables no sean tan delgados en las conexiones a las pilas y motores ya que por ellos fluirá mayor corriente.

Los mecanismos que darán movilidad a nuestro “monstruo” deberán ser con reducción, los motores en si no dan la fuerza (o torque) necesaria para desplazar el peso y en caso de que así lo fuera la velocidad no nos daría la posibilidad de gobernarlo adecuadamente, la reducción no sólo disminuye la velocidad sino “aumenta la fuerza “(esto debido a las relaciones mecánicas entre engranajes) que puede ser aplicada a cualquier mecanismo, en nuestro caso a las ruedas motrices. Si su pregunta es dónde conseguirlos, puede reciclar mecanismos de juguetes económicos, el uso de servos es lo más adecuado ya que proporciona el torque o la fuerza suficiente para el desplazamiento, más sin embargo su precio es muy elevado y nuestra finalidad es realizar un móvil económico y funcional.

Quizá se preguntarán porque no se usan motores paso a paso, la limitante es su costo el cual es compensado por su precisión, pero el conseguir motores pequeños y que consuman poca corriente es un tanto difícil, además su aplicación es mas justificable si nuestro proyecto fuera un robot de mayor tamaño cuya precisión sea necesaria, su enfoque es a brazos robóticos y sistemas de ejes coordenados, ante todo simplicidad es lo que necesitamos.

Para simplificar el diseño los motores con su respectiva reducción los consideraremos genéricos, esto es que su unidad principal sea un motor de C.D. de 3 a 5 volt, de ahí partiremos a definir la estructura básica y el por qué de la misma. Lo anterior nos lleva a una cuestión importante, ¿cuál será su fuente de energía principal?

Al rescate vienen toda una gama de baterías, se puede usar casi cualquier batería recargable ya sea de gel, NiCad, NiH, ion de litio como las usadas en los teléfonos celulares, etc., hoy en día su coste ha disminuido tanto que podemos esforzarnos y comprar aquella que cumpla con nuestras expectativas de durabilidad y costo, pero como nuestra finalidad es la simplicidad supondremos que usaremos el clásico portapilas para cuatro unidades “AA” de 1.5 volts, esto nos dará en total 6 volts, si elegimos cualquier otra procuraremos que los voltajes que entreguen sean cercanos a éste, de cualquier modo por el momento no usaremos lógica TTL o algún otro dispositivo que sea poco tolerante a variaciones de voltaje cercanos al indicado, si se diera el caso de usar alguna batería de mayor voltaje lo indicado es utilizar un regulador de voltaje de 5 Volts. Pero recuerde, que está en una etapa de inicio y siga el camino simple, que no es lo mismo que el mas fácil.

PLATAFORMAS ALTERNATIVAS

Solo lo tomaremos como comentario, en la actualidad hay una gran variedad de “juguetes” educativos que pueden servirnos como plataforma base para construir mini-robots, las más populares son el LEGO y el MECANO, la primera tiene una serie llamada Technic que está enfocada a la construcción de infinidad de prototipos, desde una simple articulación hasta un robot manipulador con elementos neumáticos. Y si bien son muy flexibles lo complicado es el conseguir los elementos reductores y motores que sólo puedes adquirirlos en casas especializadas, que son un poco caros, el adquirir algún kit básico para armar algún vehículo nos proporcionará las piezas necesarias para construir nuestro móvil, con sólo unas cuántas modificaciones y un poco de ingenio podemos adaptarlos a motores comunes y corrientes, ante todo lo dejaremos a la creatividad y a su bolsillo. Una opción muy viable es el reciclado de juguetes en desuso o económicos que sean de baterías, las ruedas, motores, cajas de reducción y hasta los portapilas pueden ser reutilizables y por consiguiente económicos.

• 
  
  ESTRUCTURA BÁSICA DEL MÓVIL

La estructura básica es la mostrada en la figura 2 que nos muestra una configuración de tres ruedas. Como se indica, dos de las ruedas que denominaremos ruedas motrices son las responsables del desplazamiento del móvil y serán impulsadas por una caja de reducción y un motor de DC por cada una, esta caja puede ser de algún juguete o un servo modificado, la tercer rueda es de giro libre o “rueda loca” que está adosada a un eje que no es concéntrico permitiéndole así no presentar alguna resistencia al desplazamiento del móvil y su función principal es de apoyo.

Las ventajas en cuanto a su desplazamiento son las siguientes: al girar las ruedas motrices a la misma velocidad el móvil se desplazará en línea recta, si en algún momento deseamos que el mismo gire hacia la derecha o izquierda podemos detener uno de los motores y el móvil dará vuelta tomando como eje de giro el punto de contacto de la rueda que esté detenida, en caso de girar en el otro sentido el eje de giro será la que esté en turno sin girar, analizando éstos movimientos observamos que el desplazamiento es mínimo al dar vuelta además que ya no requeriremos de algún otro motor que haga la función de eje de dirección como sería necesarioen caso de ser de cuatro ruedas (por ejemplo el automóvil), la rueda loca solo cumple la función de dar estabilidad al sistema. Lo anterior es válido para cuando el móvil sólo tiene la capacidad de que sus ruedas motrices se desplacen en un solo sentido. Las cosas mejoran para el caso en que las ruedas motrices tengan la capacidad de invertir su sentido de giro, si hacemos girar las ruedas una en sentido contrario a la otra el eje de giro del móvil será la parte central del eje imaginario que pasa por las dos ruedas. Esto dará la posibilidad de que podamos orientar al móvil en cualquier dirección oque gire sobre si mismo 360 grados.

Las ventajas son:

-Girar sobre si mismo 360 grados.

-Evadir obstáculos más fácilmente.

-Moverse en lugares muy reducidos.

-Menor lógica de control sobre los motores en su etapa inicial.

-Control total del desplazamiento del móvil por medio de PMW (Modulación por ancho de pulso).

Una vez que definimos nuestra estructura básica y sus ventajas podemos pasar a la construcción de la misma.



La base se construirá a partir de una lámina de acrílico de 3 mm, se cortará con las dimensiones marcadas en la Figura 4, en el centro de la misma se harán tres perforaciones para la colocación de los cables hacia los sensores y motores, dichas perforaciones serán aproximadamente de un diámetro de 1/4 de pulgada.

La perforación para la rueda loca será de acuerdo a la que se  pueda conseguir en cualquier tienda de herrajes para muebles, inclusive en los supermercados en el área de ferretería ya pueden encontrarse y son económicas.
Para las cajas reductoras con motor incluido se usaron las unidades de un modelo comercial, pero éstas pueden ser sustituidas por cualquier reducción mecánica de algún juguete en desuso o similar que se consiga en modelos a motor.


Como característica principal debemos respetar que las caja sean idénticas, esto para no tener diferencias significativas en el régimen de giro cuando se encuentren en funcionamiento simultáneo. También que los motores funcionen a voltajes de entre 3 y 5 volts ya que nuestra fuente de alimentación será de 4.5 volts.

De cualquier forma se presenta la figura 5 con la constitución interna de la caja de reducción usada y tener una referencia para conseguir una similar o en dado caso de tener los elementos y la habilidad esta pueda ser construida por el lector. Para su colocación tomamos como referencia las perforaciones que la caja tiene, ésta se hará en la parte inferior realizando perforaciones previamente marcadas de acuerdo a una presentación previa sobre la base, en caso de que la caja procurada por el lector no tenga manera de sujetarse con tornillos podemos aplicar pegamento de Cianoacrilato y de esa manera tendremos colocadas nuestras unidades motrices.
La colocación de la “rueda loca” se hará en la parte frontal de tal manera que quede el espacio suficiente para la colocación de los sensores que serán tema de otro artículo, lo que es muy importante es que esta rueda junto con las de las cajas reductoras proporcionen la altura necesaria para que la base esté paralela al piso, sino tendremos que colocar algo que sirva para nivelar la altura lo cual podrían ser pequeñas láminas de acrílico como el que usamos o algún otro similar.
La fuente de energía será un portapilas que pueda albergar a unidades tipo “AA” con lo cual tendremos una fuente de energía de 4.5 Volts que servirá para cualquiera de los circuitos que armaremos progresivamente, claro, si el lector lo prefiere puede usar “packs” de pilas recargables de un voltaje similar, o en su defecto una de mayor voltaje para lo cual tendremos que adicionar una etapa reguladora con un C.I. 7805 para que sea compatible con los circuitos usados.
Si respetamos la estructura básica nuestra unidad principal estará lista para adicionarle los elementos necesarios para funcionar, recuerden que la plataforma de construcción y los materiales son a su gusto o simplemente sigan esta pequeña guía, recuerden que todo depende de la habilidad y de la imaginación de cada quien.

¿Y ahora cómo pruebo su funcionamiento?
Una vez terminado el móvil procedemos a probar el sistema de tracción energizando con el portapilas los motores, uno a la vez o ambos en el mismo sentido o contrasentido, esto para verificar que ambos motores están funcionando adecuadamente antes de probarlos con un circuito de prueba.

El circuito de prueba con temporizadores lo vemos en la figura 6.

Para ello tenemos el siguiente circuito que usa un solo C.I. 556 con doble temporizador, dos transistores y unos cuantos resistores, la finalidad es activar los motores de manera aleatoria, o sea, que a intervalos diferentes de tiempo cada motor seactive y se inactive.
Cada temporizador se configurará en modo astable, los valores de R1 y R2 le darán tiempos aproximados de 1 seg. para cada estado de salida del astable 1, R3 y R4 de 1.5 seg. para cada estado de salida del astable 2. Cada salida activará a los transistores T1 y T2 a tiempos distintos, los valores asignados a R5 y R6 (1 Kohm) son los adecuados para que los transistores entren en la región de saturación y manejen sin ningún problema a sus motores respectivos (M1 y M2). Claro está que estamos tomando en consideración motores de juguete que funcionan desde 3 volts a 5 volts los cuales tienen un consumo promedio de 300 miliamperios.
Como entre los temporizadores habrá diferencia de tiempos y no estarán sincronizados de ninguna manera el móvil no tendrá control preestablecido, pero si realizara en forma intermitente el funcionamiento de las ruedas de tracción dando como resultado la activación conjunta de los motores, el paro de uno o ambos, lo que se traducirá en avance, virado a la izquierda, virado hacia la derecha o alto total. La fuente de alimentación son las mismas 4 pilas tipo “AA” para lo cual el C.I. no tendrá problema de funcionamiento ya que el rango de valores de alimentación para éste es amplio; sólo se presenta el circuito para que sea armado en un pequeño “protoboard” o si es gusto de cada uno lo realice en tableta universal,he considerado que el presentar el impreso no es muy relevante ya que éste es sólo un circuito de prueba temporal.
En la figura 7 tenemos la vista completa con circuito de prueba. La importancia de este circuito de prueba es analizar las posibles fallas mecánicas de nuestro móvil, la velocidad de desplazamiento que es de vital importancia para su ajuste posterior de manera electrónica y verificar la correcta ubicación y libertad de la rueda loca.