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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