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INTRODUCCIÓN A LAMICROBÓTICA
Ignacio Herrero Reder
Dpto. Tecnología Electrónica
Universidad de Málaga
ROBOT
•Máquina mecánica •Ayudar al ser humano•Tareas desagradables/peligrosas
Microbótica y Robótica
• Robótica– “Robota”->Trabajo Obligatorio
– K. Capek: Obra de teatro R.U.R.(1921)
Microbótica y Robótica
• Robótica– “Robota”->Trabajo Obligatorio
– K. Capek: Obra de teatro R.U.R.(1921)
ROBOT
•Máquina mecánica •Ayudar al ser humano•Tareas desagradables/peligrosas
ØElectrodomésticos!ØBrazos articulados montaje fábricasØVehículos exploración (NASA)
¿¡!?
Microbótica
Robot
Microbot
• Microbot– Pequeño tamaño
– Sencillez de operaciones
Microbótica
• Microbot– Pequeño tamaño
– Sencillez de operaciones
• Experimentos R. Beckers (Alemania)
TAREA 1
Microbótica
• Microbot– Pequeño tamaño
– Sencillez de operaciones
• Experimentos R. Beckers (Alemania)
– Comunidad de robots ðCooperación para tareas
– Sistemas flexibles y robustos
TAREA 2TAREA 3
Aplicaciones Microbótica
• Juguetería
• Educación
• Limpieza
• Reparto
• ……. AIBOLEGO
Mindstorm
AspiradoraRobot
El Microbot y sus características
• Características variadas, según aplicación
• Clasificación TORREBOT
• Ejemplo:
NIVEL FÍSICO
NIVEL REACCIÓN
NIVEL CONTROL
INTELIGENCIA
COMUNIDAD
COOPERACIÓN
ROBOTVIGILANTE
NIVEL FÍSICO
La Torrebot
• Estructura y motores
• Capaz de moverse
• No reacciona con su entorno
• SENSORES: Infrarrojos, ultrasonidos, bumpers,…
• Capaz de moverse
• No reacciona con su entorno
NIVEL REACCIÓN
La Torrebot
¿¡!?
La TorrebotNIVEL CONTROL
• Procesar información sensores para movimiento y acciones
• Actuación controlada (según algoritmos básicos o reactivos)
• Esquivar obstáculos, moverse por un recinto, coger objetos,….
La TorrebotNIVEL INTELIGENCIA
• Control a largo plazo
• Menos relacionado con sensores
• Calcular rutas de vigilancia + esquivar obstáculos
• Máximo nivel microbot individual
1
2
3
4
5
6
La TorrebotNIVEL COMUNIDAD
• Mas de un microbot
• No tienen noción de la existencia de otros
• No hay actuación coordinada
La TorrebotNIVEL COOPERACIÓN
• Planificación o programación de los microbots tiene en cuenta la existencia de otros microbots
• Acción coordinada para un objetivo común
• Se habla de Agentes
3
Estructura de un Microbot
Cuerpo
Brazos/Piernas
Cerebro
Sentidos
Cuerpo•Semejanza cuerpo humano
Estructura de un Microbot
• Cuerpo: Esqueleto o Armazón– Estructura Movil. Soporte de elementos
– Depende de la aplicación• Velocidad
• Robustez
• Debe ser flexible y moldeable –> Mejoras
– 3 tipos o clases básicas:• Metálicas
• Plástico
• A Medida
Tarjeta Control
Motores
Sensores
Baterías
Interconexión
Estructura de un Microbot
• Estructuras Metálicas: MECCANO– Piezas metálicas normalizadas y agujereadas.Tornillos
– Buena Resistencia
– Poca flexibilidad y moldeabilidad DC
PICBOT-1
Estructura de un Microbot
• Estructuras Plásticas: LEGO– Piezas normalizadas de plástico.
– Peso y tamaño menor.
– Mayor variedad, piezas modificables.
– Menor Resistencia D
C
TRITT
C
Estructura de un Microbot
• Estructuras A Medida• Madera, metacrilato, metal,….
– Más trabajo (buscar, modificar,…)
– Mucho más barato
– Se necesita imaginación
– Material de desecho:• CDs -> Ruedas
• Cajas Metálicas
• Mando a Distancia Infrarrojos
• ……
D
BICHO
C
Estructura de un Microbot
• Cerebro
– Elemento de control del microbot
– Tarjeta microcontrolador + Programas
– Microcontroladores: PIC16F84, 68HC11, 8051
– Tarjetas: CT6811, Handyboard (68HC11)
– Libre distribución; baratas (10000 ptas)
– Programación en ensamblador y C.
– Diseño Modular
Estructura de un Microbot
CT6811Handyboard
Diagrama de Bloques Handyboard
Diagrama de Bloques CT6811
Comunicación con PC
Alimentación
Reset Led Prueba
Configuración
Microcontrol
Puertos
Puertos
Puertos
Estructura de un Microbot
• Brazos y Piernas– Movimiento y acciones del microbot
– Motores acoplados a ruedas o patas, y pinzas o brazos
– Suelen ser los elementos de mayor coste y consumo del microbot
– Motores de desecho: disketeras, vídeos,….
– Dos tipos de motores básicos:• Paso a Paso (PAP)
• Continuos (DC)
Motores Continuos
• Giran de forma continua con velocidad proporcional a su tensión de entrada
• Control en lazo cerrado, a partir de sensores o detectores (encoders).
• Cajas reductoras -> Velocidad a cambio de Potencia
• Suelen ser más baratos que los PAP
• Servos: Motores DC con circuito de control asociado
Motores Paso a Paso
• Funcionan con valores discretos de V, que determinan un sentido y un ángulo discreto de giro
• Se puede conocer en todo momento la posición de giro
• Giros completos à Secuencias de V de entrada
• Control en bucle abierto
• Chips de control à Indicando sentido y magnitud de giro,generan la secuencia adecuada
Estructura de un Microbot
• Sentidos (Vista, oido, tacto,…)– Colocación estratégica de sensores y actuadores
diversos
– Sensores/Actuadores más empleados:
• Infrarrojos (Reflexión, Directos, de Barrido)
• Interruptores, pulsadores y conmutadores
• Bumpers
• Inclinómetros (mercurio)
• Sonar
• Camaras CCD
• …….
Sensores y actuadores
• Ópticos: Infrarrojos– Emisión/detección de radiación en rango
infrarrojo
– Por reflexión: Seguimiento línea negra fondo blanco
– Directo: Encoder
• Mecánicos: Posición
A C
K EK
A
C
E
K
AC
E
– Apertura/Cierre circuito eléctrico mediante movimiento de láminas metálicas
– Entradas accionadas de forma manual
– Problemas de rebotes
Pulsador e interruptor SPST
Interruptor SPDT Interruptor DPST
Sensores y actuadores
• Mecánicos: Contacto– Al presionar la lámina, el borne común C se conecta con el borne
activado A. Si no hay presión el borne C vuelve a unirse al R
– Detección de obstáculos u otros cuerpos
C
R
AC A R
• Inclinación de Mercurio– Interruptor que usa mercurio líquido para abrir y cerrar contactos.
– Sensor de “horizontalidad” MERCURIOLÍQUIDO
Sensores y actuadores
• SONAR– Detecta la presencia de objetos mediante ultrasonidos
– Más propio de robots (grandes y caros).
– Muy usados para “navegación” por habitaciones
TX
RX
Señal
Eco
Objeto
Estructura de un Microbot
• Baterías à Equivale a la “comida” del ser humano
– Microbot “debe” consumir poco
– Las baterías pesan y cuestan dinero
– Separar alimentación de motores y electrónica. Motores, sensores, radio,… !CONSUMEN MUCHO¡
– Buscar baterías recargables:• Pilas Alcalinas: aguantan bien, pero… no recargables
• Niquel-Cadmio: Recargables, se estropean por efecto memoria
• Acido (Hidruro Ni-Mn): Recargables; sin efecto memoria. Caras
Impacto de la Microbótica en la formación de Ingenieros
• Conocimiento multidisciplinar– Electrónica
– Informática
– Mecánica
– Sensores
– Comunicaciones
– Inteligencia Artificial
• Motivación en el alumnoà Identificación con Microbot
• Probar nuevas ideas
• Buscar diversas formas de implementación
• Buscar materiales adecuados
• Programas con los mejores algoritmos
!! Importante para futura actividad profesional del
Ingeniero ¡¡
Microbótica y Universidad• Universidad
• Asociaciones o clubes de microbots (Alumnos)• Instituto Tecnológico de Massachusset (MIT) à LEGO• En España:
– Autónoma de Madrid– Politécnica de Cataluña– Deusto (Bilbao)– …….
• En Málaga. – Robótica: Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática (ISA)– Microbótica: Grupo en formación
• (Rama Alumnos IEEE).• Profesores del Dpto. Tecnología Electrónica (DTE).• PFCs, asignatura “Virtual”, cursos (en proyecto),…
Pionera en investigación e implementación de microbots
Ejemplos de Microbots. Concursos
• Microbots existentes relacionados con aplicaciones comerciales y con concursos (ámbito universitario)
• Tipos de robots según pruebas:
• Encerrar dos microbots en un circulo; intentar echar al otro fuera o inutilizarlo
• Robots bajos y robustos. Basados en:– Potencia (empujar a otro fuera del círculo),
– Volcar al otro robot (introducir pala por debajo), o
– !Destruirlo¡; algunos concursos permiten hachas, martillos, y lanzallamas (la mayoría no).
SUMO
Ejemplos de Microbots. Concursos
HANNIBAL
TAURO-VIPER BACKLASH
Ejemplos de Microbots. Concursos
• Robots ligeros,veloces, y maniobrables.
• Seguir una pista con diseño simple en el menor tiempo posible
CARRERAS (CYBERRACE)
ABSOLUT QUARK
Ejemplos de Microbots. Concursos
• Se introduce el robot en un laberinto, y trata de salir en el menor tiempo posible.
• Se busca sobre todo inteligencia y control.
• Suelen ser más importantes los algoritmos(programas), que los componentes físicos.
NAVEGACIÓN (LABERINTOS)
Ejemplos de Microbots. Concursos
Ejemplos de Microbots. Concursos
• Tareas más sofisticadas– Búsqueda y recolección de objetos en un área, luchando con
otro microbot y contra el tiempo.
– Robots más completos, incluyen sensores, motores, manipuladores, y algoritmos bastante complejos.
MANIPULACION/BÚSQUEDAS
Ejemplo:
Concurso MIT 99
Ejemplos de Microbots. Concursos
BERTIE
EL CONDE
HERMES(ganador)
Ejemplos de Microbots. Concursos
• Varios microbots cooperando en una tarea común.
• Debe existir una comunicación entre los robots (radio, infrarrojos codificados).
• A menudo, control centralizado por un ordenador
EQUIPOS DE MICROBOTS
Microbots con Patas
• La mayoría de los ejemplos anteriores usan ruedas.
• Otros microbots tienen patas, simulando comportamiento de insectos (4 ó + patas).
• Cyberinsectos: Poca inteligencia. Interacción con el entorno y tareas muy básicasà Más parecido al modelo humano que los robots con ruedas.
HORMIGA(hexápodo)
CUBE(gusano)Puchobot
(cuadrúpedo)
Conclusiones
• !TU¡ puedes hacer un microbot
• Se necesita:– Afición al “cacharreo”
– Curiosidad para aprender cosas nuevas:• Diseño y creación de plazas de CI
• Soldadura
• Programación en ensamblador y C,….
– Imaginación• Ideas novedosas
• Reciclar material: CDs àRuedas, video ó disketera rota àMotores, mando de la teleàInfrarrojos, ratón roto àEncoders,…
Bibliografía y enlaces
• Microbótica. J.M. Angulo, S. Romero, e I. Angulo.Ed. Paraninfo, 1999.
• 6.270 Autonomous LEGO Robot Design Competition. Massachuset
Institute of Technology (MIT), 1999.
• Manual de Microbótica. Microbótica S.L. 2000.
• Embedded Microcontrollers. T.D. Morton. Prentice-Hall, 2001.
• www.microbotica.es• www.ai.mit.edu
• www.depeca.alcala.es/alcabot/alcabot2001