Borrador PG

 

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “TOMÁS FRÍAS”  FRÍAS”  FACULTAD DE INGENIERÍA TECNOLÓGICA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

“DISEÑO DE UN VEHÍCULO ROBOT SEMIAUTÓNOMO INALÁMBRICO INALÁMBRIC O PARA EXPLORACIÓN DEL ESTADO ESTRUCTURAL Y AMBIENTAL EN GALERÍAS DEL CERRO RICO DE POTOSÍ”  POTOSÍ”  Postulantes:

Sergio André Bellido Portugal Hugo Adrian Quispe Bolivar

Tutor:

Ing. José Ignacio Sanabria García POTOSÍ - BOLIVIA 2016  

 

D edi ca cattor i as d de e Ser g i o A nd ndrr é B elli llid do P or tuga tugall

“ El

presente Proyecto de Grado se lo dedico

con mucho cariño a mi mamá Juana Ruth  Portugal Vera por todo el esfuerzo y apoyo que me brindó durante todos estos años. ” 

 

 

 Agrad  Ag rade ecim cimie ient nto os de Se Serg rgii o And André ré B ellid llido o Port Portuga ugall  En primer lugar quiero agradecer a mi mamá Juana Ruth  Portugal Vera y a mi abuela Nelly Vera Vda. de Portugal, ustedes fueron las únicas personas que creyeron en mí,  gracias por todo el apoyo y los consejos con sejos que me han dado a lo largo de mi formación, jamás podría pagar todo lo que hicieron por mí, quiero que sepan que siempre las llevo y estarán en mi corazón, con mucho cariño Chiqui.

 A mis amigos Galo Andrade Roca y sus papás Franz  Andrade y Consuelo Roca, Angel Ledezma Azad, Víctor  Alfredo Maidana Echalar, Pedro Dávila Rojas y Carlos  Dávila Rojas, gracias por brindarme su amistad y cariño todos estos años, alegrarme con sus locuras en todo momento; les deseo mucha suerte y felicidad en sus vidas.

 Al compañero Wilson Yucra de la carrera de Ingeniería  Mecatrónica de la UATF por tu interés, dedicación y apoyo en el diseño de la 1ra. versión del robot explorador minero,  sin duda te espera un futuro brillante, gracias chapaco.

 A mis docentes de la carrera de Ingeniería Electrónica  gracias por transferirme sus conocimientos, fomentar en mí el interés por la investigación y más allá de su docencia brindarme su amistad. Estoy orgulloso de haber estudiado con los mejores, sin duda no los defraudaré y llevaré el nombre de la carrera de Ingeniería Electrónica de la UATF hasta lo más alto.

 

 

D edi ca cattor i as d de e H ug ugo o A dr i an Qui Quisp spe e B olilivvar

“Dedico  este

trabajo a mi papá, mi mamá y

mis hermanos.” 

 

 

 Agrad  Ag rade eci mien ienttos de H ugo A dri an Qu Quii spe spe B oliva livarr

 A Dios, nuestro n uestro Padre Celestial, que me llena de bendiciones día a día permitiéndome ser más para servir mejor.

 A mis padres Teófila Bolivar Ventura y Filomeno Quispe  Rosales, por todo su apoyo, comprensión y confianza en cada  paso que doy para lograr mis metas y por ayudarme a ser quien hoy soy.

 A mis hermanos Luis, Marisol y Juan por toda su desinteresada colaboración durante la ejecución de este  proyecto.

 A la Universidad Autónoma Tomás Frías, carrera de  Ingeniería Electrónica y todos los docentes, quienes colaboraron a mi formación como profesional.

 A mis amigos y compañeros con los que compartí momentos agradables durante el periodo de estudios de mi carrera.

 

 

RESUMEN

El Cerro Rico de Potosí, es patrimonio Cultural Intangible de la Humanidad, declarado por la UNESCO; actualmente los desplomes, fisuras y contaminación que se presentan en sus galerías, están empeorando, a medida que pasa el tiempo, conduciendo a situaciones de alto riesgo para el desarrollo de las diferentes actividades al interior de la mina. En el presente Proyecto de Grado, se diseñó un vehículo robot semiautónomo con control inalámbrico, para conocer el estado estructural y ambiental de las galerías del Cerro Rico de Potosí, proporcionando información relevante para evaluar el estado de las mismas. Se emplearon métodos de investigación (teóricos y empíricos), con los que se llevo a cabo el modelamiento y diseño de un vehículo robot que involucra sistemas de  software, hardware hard ware y mecánica; permitiendo analizar el comportamiento del vehículo robot en el terreno a

enfrentarse; así, como la parte electrónica, con la cual se diseñó el acondicionamiento de las señales para los sensores, plataformas de desarrollo, actuadores y módulo de radiofrecuencia. Un sistema de control semiautónomo permitió al vehículo robot tomar decisiones en

situaciones donde exponga su estructura a daños, ignorando cualquier instrucción recibida a través de un módulo de radiofrecuencia. Además, el vehículo robot pudo leer casi instantáneamente parámetros como: temperatura, humedad, monóxido de carbono (CO), y capturar fotografías desde ángulos fijos y ángulos móviles con la ayuda de un brazo robótico. Contenía un sensor de escaneo 3D que le permitió realizar escaneos en el interior de las galerías, para crear un modelo 3D de las mismas. El mando de control fue una PC, en la que se diseñó una interfaz hombre máquina (HMI) que permitió la comunicación inalámbrica con el vehículo robot a través de un módulo de radiofrecuencia. Para validar el diseño y uso del vehículo robot explorador se cumplierón varias normas y leyes vigentes actualmente. Finalmente, se presentaron resultados obtenidos con la plataforma robótica de la mina San Luis, además de una tabla de costos, diagramas y códigos correspondientes que involucran al proyecto.

 

 

ÍNDICE GENERAL

INTRODUCCIÓ INTROD UCCIÓN N .................................................................................................................. 1   1.1 GENER GENERALIDA ALIDADES DES DE LA ROBÓTICA ROBÓTICA ....................................................................... 10  1.1.1 Defi Definici niciones ones ............................................................................................................. 10  1.1.2 His Historia toria .............. ..................................................................................................................... ....................................................................................................... 10  1.1.3 Clasificación Clasificación de los robots ........................................................................................ 13  1.1.4 Autonomía Autonomía de un robot ............................................................................................. 14  1.2 MECÁ MECÁNICA NICA ................................................................................................................... 15  1.2.1 Cin Cinemáti emática ca ................................................................................................................ 15  1.2.2 Cin Cinemáti emática ca para vehí vehículos culos robots .............................................................................. 16  1.2.3 Cin Cinemáti emática ca para brazos robóticos robóticos .............................................................................. 17  1.2.4 Métodos para resolver la cinemáti cinemática ca direc directa ta .............................................................. 17  1.2.5 Métodos para resolver resolver la cinemática cinemática inversa inversa ............................................................. 18  1.2.6 Sistemas de suspensión para vehículos robots todo terreno........................................ 19  1.2.7 Brazo robótico .......................................................................................................... 22  1.2.8 Subsi Subsistemas stemas de robots ............................................................................................... 22  1.2.9 Rueda Ruedass ...................................................................................................................... 25  1.2.10 Materi Materiales ales de construcción construcción ...................................................................................... 25  1.3 ELEC ELECTRÓNIC TRÓNICA A ............................................................................................................. 28  1.3.1 Contr Control ol ..................................................................................................................... 28  1.3.1.1 Sensores de dis distancia tancia .......................................................................................... 30  1.3.1.2 Módulos Módulos de temperatura temperatura y hume humedad dad ................................................................... 32  1.3.1.3 Sensor de monóxido monóxido de carbono CO MQ-7 ........................................................ 34  1.3.1.4 Sensores de visión visión .............................................................................................. 35  1.3.1.5 Sensores de escaneo escaneo 3D...................................................................................... 41  1.3.1.6 Sensores de posición posición .......................................................................................... 46   

 

1.3.1.7 Mic Microcom rocomputadoras putadoras ............................................................................................ 47  1.3.1.8 Plataformas Plataformas de desarrollo desarrollo ................................................................................... 50  1.3.2 Tel Telecomuni ecomunicacione caciones.................................................................................................. s.................................................................................................. 52   1.3.2.1 Propaga Propagación ción de radiofrecuenci radiofrecuencias......................................................................... as......................................................................... 52  1.3.2.2 Pérdidas Pérdidas por traye trayectori ctorias as .................................................................................... 56  1.3.2.3 Aten Atenuaci uación ón ......................................................................................................... 56   1.3.2.4 Modelos de propagación propagación indoor.......................................................................... 57  1.3.2.5 Clases de redes inal inalámbri ámbricas cas .............................................................................. 58  1.3.2.6 Mapa de tecnologías tecnologías inal inalámbricas ámbricas ...................................................................... 58  1.3.2.7 Módulos de radiofrecuenci radiofrecuencia................................................................................ a................................................................................ 59  1.3.3 Acon Acondici dicionamien onamiento to electróni electrónico co ................................................................................. 61  1.3.3.1 Di Dispositi spositivos vos electr electrónicos ónicos .................................................................................... 61  1.3.3.2 Puente H para motores DC ................................................................................. 61  1.3.3.3 Actuad Actuadores ores ......................................................................................................... 61  1.3.4 Tipos de fuentes fuentes eléctri eléctricas cas ........................................................................................ 70  1.3.4.1 Baterí Baterías as .............................................................................................................. 70  1.3.4.2 Fuente de poder .................................................................................................. 71  1.4 INFOR INFORMÁTICA MÁTICA ............................................................................................................. 72  1.4.1 Sistem Sistemas as operativ operativos os .................................................................................................. 72  1.4.1.1 Clasificación Clasificación de los sistemas operativ operativos os ............................................................. 72  1.4.1.2 Sistemas Sistemas operati operativos vos más usados ......................................................................... 74  1.4.2 Software y lenguaj lenguajes es de program programación ación ..................................................................... 74  1.4.3 Procesam Procesamiento iento digital de imágenes imágenes (PDI) .................................................................. 76  1.4.3.1 Proces Procesoo de fil filtrado trado .............................................................................................. 76  1.4.3.2 Recons Reconstrucci trucción ón y modelado modelado ................................................................................ 77   

 

2.1 SISTEM SISTEMA A MECÁ MECÁNICO NICO.................................................................................................. 78  2.1.1 Sistema de suspensión del vehículo robot explorador ................................................ 78   2.1.2 Configuración Configuración de ruedas ........................................................................................... 79  2.1.3 Locom Locomoción oción del vehíc vehículo ulo robot expl explorador orador ............................................................... 79  2.1.4 Cin Cinemáti emática ca directa del brazo robot ............................................................................ 80  2.1.5 Cinemática Cinemática inversa inversa del brazo robot ........................................................................... 81  2.1.6 Materi Materiales ales de construcción construcción........................................................................................ 81  2.2 SISTEM SISTEMA A ELECTR ELECTRÓNICO ÓNICO ........................................................................................... 82  2.2.1 Variables Variables que se van a me medir dir..................................................................................... 82  2.2.1.1 Comparación de sensores para el control semiautónomo ..................................... 82   2.2.1.2 Comparación de sensores para la exploración ambiental ..................................... 85  2.2.1.3 Comparación de sensores para la exploración estructural .................................... 86   2.2.2 Com Comparaci paración ón de mi microcompu crocomputadoras tadoras ........................................................................ 89  2.2.4 Comparación Comparación de los módulos de radio radio ....................................................................... 90  2.2.4.1 Potencia teórica de la señal del XBee a una distancia .......................................... 92   2.2.4.2 Estándar IEEE 802.15 802.15.4...................................................................................... .4...................................................................................... 93  2.2.4.3 Estándar Zigbee y su relación con el modelo ISO/OSI ........................................ 95   2.2.4.4 Topologías Topologías de una red Zigbee Zigbee ............................................................................. 96  2.2.4.5 Comunicación Comunicación entre dos obje objetos tos Zigbee Zigbee .............................................................. 99  2.2.5 SISTEM SISTEMA A ELÉCTR ELÉCTRICO........................................................................................... ICO........................................................................................... 99  2.2.5.1 Regulación Regulación de voltajes voltajes para los dispositiv dispositivos os ....................................................... 99  2.2.5.2 Com Comparaci paración ón de actuadores ............................................................................. 100  2.2.5.3 Puente H .......................................................................................................... 102 102  2.2.5.4 Comparación Comparación de fuen fuentes tes eléctri eléctricas cas .................................................................... 103  2.3 SISTEM SISTEMA A INFORMÁ INFORMÁTICO TICO ...................................................................................... 104   

 

2.3.1 Lenguajes de program programación ación .................................................................................... 104  2.3.2 Softw Software are de configuraci configuración, ón, diseño diseño y ssim imulación ulación...................................................... 105  2.3.3 Sistemas Sistemas operativ operativos os para el mi microPc croPc ....................................................................... 105  2.3.4 Software de escaneo escaneo 3D .......................................................................................... 105  3.1 DIAG DIAGRAMA RAMA DE BLOQ BLOQUES UES DEL ROBO ROBOT T ................................................................. 107  3.2 SISTEM SISTEMA A MECÁ MECÁNICO NICO................................................................................................ 108  3.2.1 Metodología de diseño de la estructura mecánica del VRE ...................................... 108  3.2.2 Estudio de campo y análisis de medidas (Caso: Medidas Galería San Luis) ............ 109   3.2.3 Diseño del vehí vehículo culo ................................................................................................ 111  3.2.3.1 Configuración de ruedas rocker-bogie y desarrollo de la CD ............................ 111   3.2.3.2 Diseño del sistema de suspensión suspensión ..................................................................... 114  3.2.3.3 Análisis Análisis y diseño de ruedas............................................................................... 116  3.2.3.4 Diseño del cuerpo .................... ............................................................................................. ......................................................................... 117  3.2.3.5 Diseño del diferenci diferencial al mecánico mecánico ....................................................................... 119  3.2.3.6 Ensamble estructural ........................................................................................ 120  3.2.3.7 Diseño del brazo............................................................................................... 120  3.2.3.8 Análisis Análisis de la CD en el espacio ......................................................................... 123 123  3.2.3.9 Análisis Análisis de la CI en el plano ............................................................................. 125  3.2.3.100 An 3.2.3.1 Análisi álisiss ddee la CI en el espaci espacioo ........................................................................ 134  3.2.3.11 Diseño de piezas que involucran en el diseño del brazo .................................. 139   3.2.4 Dis Diseño eño estructural estructural ................................................................................................... 139  3.2.5 Diseño de piezas que involucran en el diseño del VRE............................................ 142   3.2.6 Ensamblaje Ensamblaje virtual de la estructura del VRE ........................................................... 143  3.2.7 Ensamblaje Ensamblaje físico físico del VRE ..................................................................................... 144 144  3.2.8 Ubicación e indicaci indicación ón de componentes internos en la estructura del VRE ............. ...... ......... 145   

 

3.2.9 Simulación Simulación del VRE ............................................................................................... 146  3.2.10 Análisis Análisis de la estátic estáticaa y dinámica del VRE............................................................ 146  3.3 SISTEM SISTEMA A ELECTR ELECTRÓNICO ÓNICO ......................................................................................... 148  3.3.1 Metodología de diseño del sistema electrónico del VRE ......................................... 148  3.3.2 Cálculo Cálculo del consumo energético del VRE ............................................................... 149  3.3.2.1 Alimentación Alimentación de servomotores servomotores ......................................................................... 149  3.3.2.2 Ruedas direc direccional cionales es del sistem sistemaa de suspensión................................................ suspensión................................................ 150  3.3.2.3 Articulaci Articulaciones ones del Kine Kinect ct ................................................................................. 151  3.3.2.4 Alim Alimentaci entación ón de motorre motorreductores ductores ..................................................................... 152  3.3.2.5 Alimentación Alimentación de motores de venti ventilaci lación ón ........................................................... 153  3.3.2.6 Alimentación Alimentación de sensores ................................................................................. 153  3.3.2.7 Alimentación Alimentación de le leds ds de alta lumin luminosidad osidad ......................................................... 1154 54  3.3.2.8 Alimentación Alimentación de plataformas plataformas de desarrollo desarrollo ....................................................... 154  3.3.2.9 Alimentación del módulo de radiofrecuencia Xbee Pro Series 2 ....................... 155   3.3.2.100 Resum 3.3.2.1 Resumen en del consumo eléctri e léctrico co del VRE ....................................................... 1155 55  3.3.3 Diseño de los regulad reguladores ores de vol voltaje taje ....................................................................... 156 156  3.3.4 Dis Diseño eño del puente H................................................................................................ 157  3.3.4.1 El transistor en corte y saturaci saturación ón ..................................................................... 157  3.3.4.2 Polarización de base del transistor para el puente H .......................................... 158  3.3.5 Diseño de pl placa aca drive driverr de le leds ds ................................................................................. 1159 59  3.3.6 Diseño del circuito antirrebote ................................................................................ 160  3.4 SISTEM SISTEMA A INFORM INFORMÁTICO ÁTICO ......................................................................................... 162  3.4.1 Metodología de diseño del sistema informático del VRE......................................... 162   3.4.2 Brazo ...................................................................................................................... 163  3.4.2.1 Implementación de ecuaciones cinemáticas en Arduino IDLE .......................... 163    

 

3.4.2.2 Programa Programa de calibración calibración de servomotores servomotores en C# ............................................... 164  3.4.2.3 Diagrama de flujo de control de servomotores para el Funduino Uno ............... 165   3.4.2.4 Programa de control de servomotores para el Funduino Uno ............................ 167   3.4.2.5 Protocolo de comunicación Funduino-Arduino Mega ADK .............................. 169  3.4.3 Sensores de visión visión .................................................................................................. 170 170  3.4.3.1 Algoritmo de captura de datos de la cámara C328R .......................................... 170  3.4.3.2 Algoritmo de captura de datos de la cámara VICMAR ..................................... 171   3.4.3.3 Algoritmo Algoritmo para captura de datos Kinect ............................................................ 171  3.4.3.4 Desarrollo de ecuaciones para la reconstrucción 3D ......................................... 172  3.4.3.5 Algoritmo Algoritmo para la reconstrucci reconstrucción ón 3D ................................................................ 172  3.4.4 Programa para la captura de datos del encóder ........................................................ 174  3.4.5 Programa para controlar el PWM de los leds de alta luminosidad............................ 174  3.4.6 Programa para la captura de datos ambientales ambientales........................................................ 174  3.4.7 Diagrama de flujo de control del movimiento del robot ........................................... 175   3.4.7.1 Programa Programa de control del movimiento movimiento del robot ................................................. 177  3.4.8 Diagrama Diagrama de flujo de la interfaz HMI del robot ....................................................... 181  3.4.8.1 Programa Programa de la interfaz HMI del robot.............................................................. 182  3.4.8.2 Programa Programa De HMI Ejecutado............................................................................ Ejecutado............................................................................ 186 186  4.1 Costos de los equipos .................................................................................................... 187  4.2 Costos de diseño e in ingenierí genieríaa ........................................................................................ 188  4.3 Costos de man manoo de obra................................................................................................. 189  4.4 Costo total del proyecto................................................................................................. 189  5.1 Ensam Ensamblaj blajee mecáni mecánico co .................................................................................................... 191  5.1.1 Sistem Sistemaa de suspensión............................................................................................. suspensión............................................................................................. 192  5.2 Medi Mediciones ciones.................................................................................................................... 193   

 

5.2.1 Pruebas de la estáti estática ca y dinámica del VRE .............................................................. 1194 94  5.2.2 Pruebas superación de obstácul obstáculos os del VRE ............................................................. 196  5.2.3 Pruebas de potencia de la señal del módulo de RF a varias distancias ...................... 197  5.2.4 Mediciones de temperatura en la galería San Luis con el sensor DHT22 ................. 201   5.2.5 Mediciones de humedad en la galería San Luis con el sensor DHT22...................... 201   5.2.6 Mediciones de CO en la galería San Luis con el sensor MQ-7................................. 202   5.2.7 Mediciones de distancias de los sensores Sharp y Kinect ........................................ 203  5.2.8 Despl Desplazami azamiento ento del brazo robot .............................................................................. 203  5.2.9 Prueba del tiempo de autonomía autonomía de las baterías....................................................... 204  5.3 Imágenes de las cámaras ............................................................................................... 206  5.3.1 Fil Filtros tros ..................................................................................................................... 211  5.4 Recons Reconstrucci trucción ón 3D ........................................................................................................ 211  5.4.1 Descarga de nube de puntos al software software Blende Blenderr ..................................................... 212  5.4.2 Filtrado Filtrado de nube nube de puntos ...................................................................................... ...................................................................................... 213  5.4.3 Creación de mal malla la ................................................................................................... 213  5.4.4 Uni Unión ón de mall mallas as ...................................................................................................... 213  CONCLUSIONES CONC LUSIONES .............................................................................................................. 215  RECOMENDAC RECOM ENDACIONES IONES ..................................................................................................... 217  GLOSARIO GLOSA RIO ........................................................................................................................ 218  REFERENCIA REFER ENCIAS S BIBL BIBLIOGRAFICA IOGRAFICAS S ................................................................................. 221  ANEXO ANEX O A. Mecáni Mecánica ca ......................................................................................................... 223  A. 1 Estudio Estudio de campo de la galerí galeríaa San Luis .................................................................. 223  A. 2 Planos de la estructura del vehículo robot explorador ............................................... 224   ANEXO ANEX O B. Electrónica Electrónica ....................................................................................................... 237  B. 1 Hoj Hojaa de datos módulo DHT22 .................................................................................. 237 237   

 

B. 2 Hoj Hojaa de datos del sensor de CO MQ-7..................................................................... 241  B. 3 Hoj Hojaa de datos de la cámara C328R ........................................................................... 244  B. 4 Conte Contenid nidoo técni técnico co desarrol desarrollado lado por Adaf Adafruit ruit ............................................................ 246  B. 5 Características específicas del Arduino Mega ADK.................................................. 249   B.6 Modos de operación de módul módulos os Xbee................................................................... 253  B.7 Estándar Zi Zigbee gbee y su relaci relación ón con el modelo modelo ISO/OSI............ ISO/OSI..... ............. ............ ............ ........... ............ ........... .... 255  B. 8 Obtención experimental de parámetros del motor RS380S ....................................... 265  B. 9 Hoj Hojaa de datos de reguladores de vol voltaje taje .................................................................... 267  B. 10 Circuito Circuito regulador de vol voltaje taje .................................................................................. 272  B. 11 Pla Placa ca del puente H.................................................................................................. 273  B. 12 Hoja de datos del Mosfet IRF720 .......................................................................... 275  B. 13 Pla Placa ca driver de leds ................................................................................................ 278  B. 14 Hoja de datos del circuito integrado negador 74LS14 ............................................. 279   B. 15 Pla Placa ca de antirrebote antirrebote ................................................................................................ 281  ANEXO ANEX O C. Informática Informática ...................................................................................................... 282  C. 1 Script en Matlab para la representación gráfica de la ecuación cinemática del VRE.. 282  C. 2 Script en Matlab para la representación del espacio de trabajo de 3 eslabones en 2D 282   C. 3 Script en Matlab para la representación del espacio de trabajo de 3 eslabones en 3D 283   C. 4 Código fuente en C# para la Interpolación Polinomial .............................................. 285   C. 5 Script en Matlab para la representación gráfica de trayectorias ................................. 294   C. 6 Program Programaa de calibración calibración de servomoto servomotores................................................................. res................................................................. 295 295  C. 7 Programa de control de servomotores para el Funduino Uno .................................... 297  C. 8 Códi Código go para la reconstrucci reconstrucción ón 3D ............................................................................ 301  C. 9 Código para todo el procesamiento de la Raspberry Pi ............. ...... ............. ............ ............ ........... ........... .......... 302  C. 10 Programa en Arduino IDLE para la captura de datos del encóder ........................... 311    

 

C. 11 Programa en Arduino IDLE para el control de PWM de los leds ............................ 312   C. 14 Program Programaa de la interfaz HMI del VRE .................................................................... 319 

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Robot Unim Unimate ate ....................................................................................................... 10  Figura 2: Sal Salaa de control de los robots Lun Lunojod ojod ..................................................................... 11  Figura 3: Robots del Programa Lunojod a) Lunojod 1, b) Lunojod 2, c) Lunojod 3 ............... 11   Figura 4: Robots del Programa de Exploración de Mart Martee a) Sojourner, b)Sp b)Spirit irit / Opportunity 12  Figura 5: Renderizado Renderizado del Robot de la Mars 2020 ................................................................ 12  Figura 6: Robot Yutu ............................................................................................................ 12  Figura 7: Robot Bridge Bridgett ........................................................................................................ 13  Figura 8: Niveles de autonom autonomía ía para un robot móvi móvill ............................................................. 15  Figura 9: Confi Configuraci guraciones ones primi primitivas tivas de robots móvi móviles les ........................................................ 16  Figura 10: Cin Cinemáti emática ca direc directa ta e inversa inversa ................................................................................. 17  Figura 11: Dia Diagrama grama del mecan mecanism ismoo Rocker-Bogie Rocker-Bogie ............................................................... 19  Figura 12: Dia Diagrama grama del mecan mecanism ismoo CRAB-8 ...................................................................... 20  Figura 13: Sistem Sistemaa de suspensión suspensión DFBL ............................................................................... 21  Figura 14: Robot industrial industr ial fabricado por la compañía Cincinnati C incinnati Milacron de USA ............. .......... ... 22  Figura 15: Manipulador robótico ro bótico y sus partes equ equivalentes ivalentes en el cuerpo hu humano mano ............. ...... ............. ...... 22  Figura 16: Rueda a) Fija Fija b) Orientabl Orientablee .................................................................................. 25  Figura 17: Sistem Sistemaa de control lazo cerrado ............................................................................ 28  Figura 18: Sistem Sistemaa de control lazo abierto ............................................................................. 28  Figura 19: Sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y ................................................................................. 30  Figura 20: Funcionamiento de un sensor de distancia infrarrojo ............................................ 31   Figura 21: Módul Móduloo Ul Ultrasóni trasónico co HC-SR04 ............................................................................. 31  Figura 22: Funcionamiento de un sensor de distancia ultrasónico .......................................... 32   Figura 23: Módul Móduloo DHT22 DHT22.................................................................................................... .................................................................................................... 32  Figura 24: Módul Móduloo SHT15 .................................................................................................... 33  Figura 25: Fun Funcionami cionamiento ento de sensores de humedad humedad ............................................................. 33  Figura 26: Curva característica de los sensores de temperatura .............................................. 34    

 

Figura 27: Sens Sensor or de CO MQ-7............................................................................................. 34  Figura 28: Pin out del sensor MQ-7....................................................................................... 35  Figura 29: Descri Descripción pción de hardw hardware, are, módul móduloo C328R ............................................................ 36  Figura 30: Dia Diagrama grama de bl bloques, oques, módul móduloo C328R .................................................................. 37  Figura 31: Descri Descripción pción de hardw hardware, are, módul móduloo MV500 MV500NK NK ...................................................... 37  Figura 32: Dia Diagrama grama de bl bloques, oques, módul móduloo MV500N MV500NK K ............................................................ 38  Figura 33: Descri Descripción pción general de una cámara web ............................................................... 39  Figura 34: Web Webcam cam Geniu Geniuss VideoCAM VideoCAM Express V2 ............................................................. 39  Figura 35: Web Webcam cam VIC-MA VIC-MAR R ............................................................................................. 40  Figura 36: Diagrama de bloques de una cámara web convencional ........................................ 40   Figura 37: Dis Dispositiv positivoo Kinect Kinect ............................................................................................... 41  Figura 38: Partes del Sensor Kin Kinect ect ....................................................................................... 41  Figura 39: Proceso de recon reconocimi ocimiento ento de imágenes imágenes ............................................................... 43  Figura 40: Di Directriz rectriz para reconocim reconocimiento iento del esqueleto esqueleto ......................................................... 44  Figura 41: Asu Asuss Xtion Pro Liv Livee ............................................................................................. 45  Figura 42: Partes del sensor Asus Xtion Pro Live Live .................................................................. 45  Figura 43: Encóders a) digital, digital, b) analógico. analógico. ........................................................................ 46  Figura 44: Partes Raspbe Raspberry rry Pi B 2 ........................................................................................ 47  Figura 45: Diagrama Diagrama de bl bloques oques del Raspb Raspberry erry Pi B 2 ........................................................... 48  Figura 46: Pl Placa aca Cubi Cubieboard eboard 2 .............................................................................................. 49  Figura 47: Diagrama Diagrama de bl bloques oques del Cubieb Cubieboard oard 2 ................................................................ 50  Figura 48: Ardui Arduino no Mega ADK............................................................................................. 50  Figura 49: Fun Funduin duinoo UNO .................................................................................................... 51  Figura 50: Pi Pic32-PINGÜ c32-PINGÜINO INO ................................................................................................ 52  Figura 51: Refracción en una frontera plana entre dos medios ............................................... 53  Figura 52: Reflexión electromagnética en una frontera plana entre dos medios ..................... 54   Figura 53: Refl Reflexión exión en un medio medio irregular irregular ........................................................................... 55  Figura 54: Fenómenos de las frecuenci frecuencias as en banda UHF ....................................................... 55  Figura 55: Efec Efecto to del entorno sobre la potencia ..................................................................... 56  Figura 56: Capacidad de las tecnología en relación a su trasferencia de datos versus su cobertura ............................................................................................................................... 58   

 

Figura 57: XBee Pro Series 2 ................................................................................................ 59  Figura 58: Blu Bluetooth etooth HC-06.................................................................................................. 59  Figura 59: Wi Wi-Fi -Fi WiFly WiFly RN-171 ........................................................................................... 60  Figura 60: Esquema de un puente H ...................................................................................... 61  Figura 61: Rotor.................................................................................................................... 62  Figura 62: Esta Estator.................................................................................................................. tor.................................................................................................................. 62  Figura 63: Motor RS380S a) mot motor or b) caja reductora ............................................................ 63  Figura 64: Moto Motorr Maxon 110848 a) motor motor b) caja reductora .................................................. 63  Figura 65: Servom Servomotor otor .......................................................................................................... 64  Figura 66: Duraci Duración ón del pulso y ángulo del eje ...................................................................... 65  Figura 67: Servom Servomotor otor MG995 ............................................................................................. 66  Figura 68: Servom Servomotor otor Guo Hua A0090 ..... ................................................................................ ........................................................................... 66  Figura 69: Módul Módulos os Dynami Dynamixel xel ............................................................................................. 67  Figura 70: CM-5 ................................................................................................................... 68  Figura 71: Servom Servomotor otor Dyn Dynamixel amixel AX-12A .......................................................................... 68  Figura 72: Motor paso a paso ................................................................................................ 69  Figura 73: Rotor.................................................................................................................... 69  Figura 74: Esta Estator.................................................................................................................. tor.................................................................................................................. 69  Figura 75: Motor PAP: a) Bipolar b) Unipolar Unipolar ...................................................................... 70  Figura 76: Fuente de Poder ................................................................................................... 71  Figura 77: Superficie Superficie de la galeria San Luis .......................................................................... 79  Figura 78: Superficie de las galerías del Cerro Rico de Potosí ............................................... 79   Figura 79: Respuesta de Voltaje del sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y respecto a la Distancia ....... ...... . 84  Figura 80: Segmento usado de la respuesta de Voltaje del sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y respecto a la Distanci Distanciaa ................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................ 84  Figura 81: BER versus SNR de los estándares de comunicación ............................................ 91   Figura 82: Consumo de transmisión t ransmisión versus cobertura co bertura de los estándares ddee comunicación ...... 92  Figura 83: Característica de los canales del estándar IEEE 802.15.4 ...................................... 94   Figura 84: Pil Pilaa del estándar ZigB ZigBee ee ....................................................................................... 95  Figura 85: a) Topología Estrella b) Topología Árbol c) Topología Malla .............................. 97   Figura 86: El uso de seguridad por capas aplicando AES-CCM* ........................................... 99    

 

Figura 87: Com Comunicaci unicación ón Entre Dos Obj Objetos etos Zigb Zigbee ee ............................................................. 99  Figura 88: Salida de los reguladores de voltaje 78XX respecto a la temperatura .................. 100   Figura 89: Salida de los reguladores de voltaje LM317 respecto a la temperatura ................ 100  Figura 90: Circuito equivalente de los transistores serie TIP 122 y TIP 125 ......................... 102  Figura 91: Baterí Baterías as Lead Acid ............................................................................................. 103  Figura 92: Metodología adoptada para el diseño de la estructura del VRE ........................... 108   Figura 93: Mapa referencial referencial de la galería San Luis .............................................................. 109  Figura 94: Atributos generales de los puntos de la galería San Luis, a) Vista frontal (Ancho y alto) b) Vista lateral lateral (Incli (Inclinaci nación) ón) ............... ........................................................................................ ......................................................................... 109  Figura 95: Configuraciones Configuraciones y trayectorias de ruedas Rocker-Bogie, a) Lineal b) Rotacional  ........................................................................................................................................... 111  Figura 96: Casos del ángulo ϕ en la configuración lineal del VRE ....................................... 113   Figura 97: Representación esquemática de la CD respecto a las configuraciones Lineal y Rotacional........................................................................................................................... 113  Rotacional Figura 98: Representación gráfica de la CD respecto a las configuraciones Lineal y Rotacional  ........................................................................................................................................... 114  Figura 99: Idea del sistem sistemaa de suspensión suspensión Rocker-Bogie Rocker-Bogie ..................................................... 115  Figura 100: Al Altura tura del cuerpo desde la superficie ................................................................ 115  Figura 101: Dimensiones del sistema de suspensión Rocker-Bogie ..................................... 116  Figura 102: Rueda a) con caucho b) sin caucho ................................................................... 116  Figura 103: Di Diseño seño prelimi preliminar nar de rueda a) caucho b) aro c) ensamblaje ............ ...... ............ ............. ........... 116  Figura 104: Rueda seleccionada a) Fí Física sica b) Diseño en SolidWorks ...... ............ ............ ............ ............ .......... .... 117  Figura 105: Diseño del cuerpo a) forma simple b) forma estética ........................................ 119  Figura 106: Diferencial Diferencial mecáni mecánico co a) engra engranaje naje b) barra ...................................................... 119 119  Figura 107: Diseño del diferen diferencial cial mecánic mecánicoo de barra. ........................................................ 120  Figura 108: Ensam Ensamble ble virtual estructura estructurall de VRE. ............................................................... 120  Figura 109: Confi Configuraci guración ón TRR:RT TRR:RT del Brazo Robot.......................................................... 121  Figura 110: Esl Eslabones abones del Brazo Rob Robot ot ............................................................................... 121  Figura 111: Elongación del brazo robot dentro de una galería ............................................. 122   Figura 112: Posición de eslabones en el sistema cartesiano ................................................. 122  Figura 113: Espaci Espacioo de trabajo a) ideal b) real ..................................................................... 123 123   

 

Figura 114: Posi Posición ción de eslab eslabones ones en el espacio .................................................................. 124  Figura 115: Volumen de trabajo ideal a) plano x-y-z b) plano x-y c) plano x-z d) sector del  plano x-y ....... ............. ............ ............ ............ ........... ........... ............ ............. ............. ........... ............ ............. ............ ............ ........... ........... ............ ............ ............. ........... .... 124  Figura 116: Volumen de trabajo real a) plano x-y-z b) plano x-y c) plano x-z d) sector del  plano x-y ....... ............. ............ ............ ............ ........... ........... ............ ............. ............. ........... ............ ............. ............ ............ ........... ........... ............ ............ ............. ........... .... 125  Figura 117: Posici Pos ición ón de eslabones en el plano x-y para la formulación de la CI ............. ...... ............. ...... 125  Figura 118: Configuraciones según el signo signo a) codo arriba b) codo abajo ............ ...... ............ ............. ......... 127  Figura 119: Gráfi Gráfica ca auxili auxiliar ar para hallar ............................................................................... 128  Figura 120: Puntos Puntos objetiv objetivos os PO ........................................................................................ 129  Figura 121: Formulario correspondiente al Método de Interpolación Polinomial por sistema de ecuaciones ecuaci ones .......................................................................................................................... 130  Figura 122: Trayectoria Li Lineal neal a) puntos objetivos objetivos b) obtención obtención de ecuación c) gráfica de trayectoria traye ctoria d) simul simulación ación de recorrido recorrido de trayectoria trayectoria ........................................................... 130  Figura 123: Trayectoria Parabólic Parabólicaa a) pun puntos tos objetivos b) obtención obtención de ecuación c) gráfica gráfica de trayectoria traye ctoria d) simul simulación ación de recorrido recorrido de trayectoria trayectoria ........................................................... 132  Figura 124: Trayectoria Polinómica (5to orden) a) puntos objetivos y obtención de ecuación  b) espacio de trabajo y gráfica de trayectoria tra yectoria ............ ...... ............. ............. ............ ............ ............ ............ ............ ............ ........... .......... ..... 133  Figura 125: Zoom correspondi correspondiente ente a la Figura 18b ........ .............................................................. ...................................................... 134  Figura 126: Referencia Referencia gráfic gráficaa para la CI en 3D .................................................................. 134  Figura 127: Trayectoria Trayectoria Lineal aa)) puntos objetiv objetivos os b) obtención de ecuación c) gráfica de trayectoria traye ctoria d) simul simulaci ación ón de recorrido recorrido de trayectoria ........................................................... 1136 36  Figura 128: Trayectoria Cúbica a) puntos obj objetivos, etivos, b) obtenci obtención ón de ecuación, c) gráfica gráfica de trayectoria traye ctoria,, d) simulaci simulación ón de recorrido recorrido de trayectori trayectoriaa .......................................................... 138  Figura 129: Dispositivos Dispositivos electrónicos a) Servomotor Pequeño bb)) Servomotor MG995 c) M MQQ7 d) DHT22 e) Web Webcam cam VIC-MAR f) Led de al alta ta luminosidad ............. ...... ............. ............ ............ ........... ........... ...... 139  Figura 130: Esl Eslabones abones del brazo robot................................................................................. 140  Figura 131: Base de acople acople del brazo robot ......................................................................... 140  Figura 132: Pieza Pieza mecánica del efector final a) estructura b) ensamble de componentes electrónic ele ctrónicos os......................................................................................................................... 140  Figura 133: Ensam Ensamblaj blajee del brazo robot .............................................................................. 141  Figura 134: Indicación de piezas electrónicas en el Brazo Robot ......................................... 141    

 

Figura 135: Diseño Diseño estructural del Kinect a) sin base b) ensamble de elementos que lo integran integran ............................................................................................................................... 142  Figura 136: Diseño estructural del Tx XBee PRO ............................................................... 142  Figura 137: Dis Diseño eño estruc estructural tural del ventil ventilador ador ...................................................................... 142  Figura 138: Diseño estructural del sensor Sharp GP2Y0A02YK0F ..................................... 143  Figura 139: Ensamble virtual de la estructura del VRE ........................................................ 143   Figura 140: Indicación de piezas electrónica en la estructura del VRE................................. 144   Figura 141: Ensam Ensamble ble físico de la estructura del VRE ......................................................... 144  Figura 142: Ubicación de componentes internos en la estructura del VRE ........................... 145   Figura 143: Inidcación de componentes internos en la estructura del VRE .......................... 145   Figura 144: Simulación Simulación del VRE ........................................................................................ 146  Figura 145: Dia Diagrama grama de cuerpo libre del VRE ................................................................... 146  Figura 146: Metodología de diseño del sistema electrónico del VRE ................................... 148  Figura 147: Distribución de servomotores en el brazo robot ................................................ 149   Figura 148: Distribución de servomotores en las ruedas direccionales ................................. 150   Figura 149: Distribución de servomotores en las articulaciones del Kinect XBOX 360 ....... 151  Figura 150: Distribución de motores en el sistema de suspensión Rocker-Bogie.................. 152   Figura 151: Ubicación de leds de alta luminosidad en el VRE a) parte trasera b) parte frontal c) brazo robot ...................................................................................................................... 154  Figura 152: Corriente de aj ajuste uste del LM317 ......................................................................... 156 156  Figura 153: Recta de carga del transistor transistor en corte ................................................................ 157 157  Figura 154: Recta de carga del transistor transistor en saturación........................................................ 157  Figura 155: Polarización de base de transistor para el Puente H........................................... 158   Figura 156: Mosf Mosfet et .............................................................................................................. 158  Figura 157: Curva Id-Vds ................................................................................................... 1159 59  Figura 158: Driver de Leds de alta luminosidad luminosidad .................................................................. 160  Figura 159: Circ Circuito uito antirrebote antirrebote .......................................................................................... 161  Figura 160: Metodología de diseño del sistema informático del VRE .................................. 162  Figura 161: Implementación Implementación de las ecuaci ecuaciones ones de la cinemática di directa recta e inversa inversa en código arduino................................................................................................................................ arduin o................................................................................................................................ 164  Figura 162: Program Programaa de calibraci calibración ón de servomotores servomotores ......................................................... 164   

 

Figura 163: Al Algoritm goritmoo de control control de servomotores servomotores .............................................................. 165  Figura 164: Protocolo de comunicación Funduino - Arduino Mega ..................................... 169  Figura 165: Algoritmo de captura de datos del módulo C328R ............................................ 170   Figura 166: Algoritmo de captura de datos del módulo VICMAR ....................................... 171   Figura 167: Al Algoritm goritmoo para la captura de datos Kine Kinect ct ........................................................ 171  Figura 168: Dirección de disparo de haces infrarrojos al objeto ........................................... 172   Figura 169: Al Algoritm goritmoo de reconstrucción reconstrucción 3D ....................................................................... 172  Figura 170: Diagrama de flujo de control del movimiento del robot .................................... 175  

Figura 171: Flujograma de la interfaz HMI del robot  .................................................... 181  Figura 172: Ima Imagen gen del HMI ............................................................................................... 186 186  Figura 173: Ensamblaje mecánico del VRE, vista de perfil ................................................. 191  Figura 174: Ensamblaje mecánico del VRE, vista frontal .................................................... 191  Figura 175: Medi Medición ción de masa del VRE .............................................................................. 192  Figura 176: Desplazamiento en terreno irregular del VRE, vista de perfil ............................ 192   Figura 177: Superac Superación ión de obstáculo obstáculo del VRE ..................................................................... 192  Figura 178: Desplazamiento en tereno irregular del VRE, vista frontal ................................ 193   Figura 179: Puntos de medida en la galería principal de la mina San Luis ........................... 193  Figura 180: Cerros en las cercanías del Cerro Rico de Potosí .............................................. 194   Figura 181: Vari Variación ación del ángulo ángulo de in inclinaci clinación ón .................................................................. 195  Figura 182: Vari Variación ación del coeficiente coeficiente de rozamiento rozamiento ........................................................... 195  Figura 183: Incli Inclinaci nación ón Vs Vel Velocidad ocidad ................................................................................. 196  Figura 184: Vel Velocidad ocidad Vs Inclinaci Inclinación ón ................................................................................. 196  Figura 185: Program Programaa XCTU .............................................................................................. 197  Figura 186: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 0 a 10m ........................................................... 198  Figura 187: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 10 a 20m ......................................................... 198  Figura 188: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 20 a 30m ......................................................... 198  Figura 189: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 30 a 40m ......................................................... 198  Figura 190: RSSI Vs Success Success el el rango de 40 a 50m ......................................................... ......................................................... 199  Figura 191: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 50 a 60m ......................................................... 199  Figura 192: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 60 a 70m ......................................................... 199  Figura 193: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 70 a 80m ......................................................... 199   

 

Figura 194: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 80 a 90m ......................................................... 200  Figura 195: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 90 a 100m ....................................................... 200  Figura 196: RSSI Vs Succes Successs el el rango de 100 a 110m ..................................................... ..................................................... 200  Figura 197: Tem Temperatura peratura Vs Dista Distancia ncia ................................................................................ 201  Figura 198: Porcen Porcentaj tajee de Humedad Humedad Vs Distan Distancia cia ............................................................... 2202 02  Figura 199: PPM de CO Vs Distancia Distancia ................................................................................. 202  Figura 200: Ángulos Ángulos de operaci o peración ón del brazo robot............................................................... 203  Figura 201: Captura de imagen de la cámara brazo en 10m ................................................. 206  Figura 202: Captura de imagen de la cámara trasera en 16m ............................................... 207   Figura 203: Captura de imagen de la cámara brazo en 20m ................................................. 207  Figura 204: Captura de imagen de la cámara brazo en 30m ................................................. 207  Figura 205: Captura de imagen de la cámara delantera en 40m ............................................ 208   Figura 206: Captura de imagen de la cámara brazo en 50m ................................................. 208  Figura 207: Captura de imagen de la cámara IR Kinect en 60m ........................................... 208   Figura 208: Captura de imagen de la cámara brazo en 70m ................................................. 209  Figura 209: Captura de imagen de la cámara IR Kinect en 80m ........................................... 209   Figura 210: Captura de imagen de la cámara trasera en 90m ............................................... 209   Figura 211: Captura de imagen de la cámara IR Kienct en 100m ......................................... 210   Figura 212: Captura de imagen de la cámara IR Kinect en 110m ......................................... 210   Figura 213: Captura de imagen de la cámara IR Kinect en 120m ......................................... 210   Figura 214: Filtro de brillo: a) imagen capturada b) disminución de brillo c) aumento de brillo  ........................................................................................................................................... 211  Figura 215: Imag Imagen en capturada con la cámara del brazo........................................................ 211 211  Figura 216: Punt Puntos os capturados capturados por el Kinect a 0º................................................................. 212 212  Figura 217: Punt Puntos os capturados capturados por el Kinect a 90º ............................................................... 212 212  Figura 218: Punt Puntos os capturados capturados por el Kinect a 180º ............................................................. 212 212  Figura 219: Filtrado Filtrado de nuve de puntos ............................................................................... 213 213  Figura 220: Creaci Creación ón de mal malla............................................................................................. la............................................................................................. 2213 13  Figura 221: Uni Unión ón de mall mallas as ............................................................................................... 214  Figura 222: Apli Aplicación cación de textura a una malla ..................................................................... 214  Figura B.4223: Estructura Estructura de una Supertrama Supertrama ..................................................................... 256 256   

 

Figura B.6224: Secuencia De Asociación De Un Dispositivo A La Red .............................. 258 

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Características del sistema de suspensión Rocker-Bogie .......................................... 19   Tabla 2: Caracterí Características sticas del sistem sistemaa de suspensión suspensión CRAB-8 .................................................. 20  Tabla 3: Caracterí Características sticas del sistem sistemaa de suspensión suspensión DFBL...................................................... 21  Tabla 4: Caracterí Características sticas del aluminio aluminio ..................................................................................... 26  Tabla 5: Características Características de la fibra de carbon carbono....................................................................... o....................................................................... 26  Tabla 6: Caracterí Características sticas de la fibra de vidrio vidrio .......................................................................... .......................................................................... 26  Tabla 7: Caracterí Características sticas del ABS ........................................................................................... 27  Tabla 8: Caracterí Características sticas del PLA ........................................................................................... 27  Tabla 9: Caracterí Características sticas del sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y ........................................................ 30  Tabla 10: Caracte Caracterís rísticas ticas del sensor HC-SR04....................................................................... HC-SR04....................................................................... 31  Tabla 11: Caracte Caracterís rísticas ticas del sensor DHT22 .......................................................................... 32  Tabla 12: Caracte Caracterís rísticas ticas del sensor STH15........................................................................... 33  Tabla 13: Caracte Caracterís rísticas ticas del sensor MQ-7 ............................................................................ 35  Tabla 14: Características y especificaciones módulo C328R ................................................. 36  Tabla 15: Características y especificaciones módulo MV500NK ........................................... 38   Tabla 16: Características webcam Genius VideoCAM Express V2........................................ 39  Tabla 17: Caracte Caracterís rísticas ticas webcam VIC-MAR........................................................................ 40  Tabla 18: Caracte Caracterís rísticas ticas del Kinect Kinect XBOX 360 .................................................................... 42  Tabla 19: Especificaciones técnicas del sensor ASUS XTION .............................................. 46  Tabla 20: Caracte Caracterís rísticas ticas del Raspberry Pi B 2 ...................................................................... 48  Tabla 21: Caracte Caracterís rísticas ticas del Cubieboard Cubieboard 2 ............................................................................ 49  Tabla 22: Caracte Caracterís rísticas ticas del Arduino Arduino Mega ADK................................................................. 51  Tabla 23: Características Características del Fundui Funduino no Uno ......................................................................... 51  Tabla 24: Caracte Caracterís rísticas ticas del Pic32-PINGÜINO Pic32-PINGÜINO .................................................................... 52  Tabla 25: Caracte Caracterís rísticas ticas del XBee PRO series 2 ................................................................... 59  Tabla 26: Caracte Caracterís rísticas ticas del Bluetooth Bluetooth HC-06 ...................................................................... 60   

 

Tabla 27: Caracte Caracterís rísticas ticas del Wi-Fi WiFly RN-171 ............................................................... 60  Tabla 28: Caracte Caracterís rísticas ticas generales de los motores PAP ........................................................ 62  Tabla 29: Caracte Caracterís rísticas ticas técnicas técnicas Motor RS380S.................................................................. 63  Tabla 30: Caracte Caracterís rísticas ticas técni t écnicas cas Motor Max Maxon on 110848 ....................................................... 64  Tabla 31: Caracte Caracterís rísticas ticas técnicas técnicas Servomotor Servomotor MG995.......................................................... 66  Tabla 32: Características técnicas Servomotor Guo Hua A0090 ............................................ 67   Tabla 33: Caracte Caracterís rísticas ticas del servomot servomotor or AX-12A................................................................. AX-12A................................................................. 68  Tabla 34: Caracte Caracterís rísticas ticas generales de los motores PAP ........................................................ 70  Tabla 35: Características y descripción del sistema de suspensión de suspensión................... 78   Tabla 36: Ventajas y desventajas desventa jas de las configuraciones Diferencial, Triciclo y Ackerman. Acker man. .. 80  Tabla 37: Tabla comparativa de métodos de resolución de CD respecto a la formulación ..... 80  Tabla 38: Tabl Tablaa comparativa de métodos de resolución de CI.............. CI....... ............. ............ ............ ............. ............. .......... 81  Tabla 39: Materi Materiales ales de construcci construcción ón estructural ................................................................... 81  Tabla 40: Medidas de voltaje del sensor Sharp a distancias determinadas .............................. 83   Tabla 41: Comparación de módulos de temperatura y humedad ............................................ 85   Tabla 42: Com Comparaci paraciones ones módul móduloo C328R y MN500NK ........................................................ 86  Tabla 43: Com Comparaci paraciones ones webcam VIC-MAR y HV-N5085 ................................................. 87  Tabla 44: Comparaciones sensores de propósito general Kinect y Asus Xtion ....................... 88   Tabla 45: Características más sobresalientes de las plataformas Raspberry Pi B 2 y Cubieboard 2 ........................................................................................................................................... ................................ ........................................................................................................... 89  Tabla 46: Com Comparaci paración ón de plataformas plataformas de desarrollo desarrollo ............................................................ 90  Tabla 47: Comparación de los módulos de radio frecuenciaTabla.......................................... 91  Tabla 48: Potencia teórica de la señal del XBee a una distancia ............................................. 92   Tabla 49: Comparaciones Comparaciones motores DC y PAP ..................................................................... 100  Tabla 50: Comparaciones servomotores convencionales y super servomotores .................... 100  Tabla 51: Comparaciones Comparaciones Motor RS380S y Maxon 110848 ................................................ 101  Tabla 52: Com Comparaci paraciones ones Servom Servomotores otores MG995 y AX-12 ............... .................................................. ................................... 102  Tabla 53: Comparaciones básicas de las baterías más empleadas en el mercado. ................. 103   Tabla 54: Especificación técnica de las baterías Lead Acid ................................................. 103  Tabla 55: OS soportados en la plataforma Rasberry Pi B 2 .................................................. 105   Tabla 56: Comparaciones de reconstructores reconstru ctores 3D KScan3D y ReconstructMeQt ............. ...... ............ ..... 106   

 

Tabla 57: Medidas de ocho puntos en la galería San Luis .................................................... 110   Tabla 58: Resumen de las medidas más importantes de la galería San Luis ......................... 110  Tabla 59: Atributos para el dimensionamiento del vehículo robot explorador ...................... 110   Tabla 60: Dimensiones generales del vehículo robot explorador .......................................... 111  Tabla 61: Representación tabular de la CD respecto a las configuraciones Lineal y Rotacional  ........................................................................................................................................... 113  Tabla 62: Aproximación de componentes alojados al interior del cuerpo del VRE .............. 118   Tabla 63: Tabla Tabla sol solución ución trayecto trayecto [-30 - +15] .................................................................... 131  Tabla 64: Tabla Tabla sol solución ución trayecto trayecto [-30 - +15] .................................................................... 132  Tabla 65: Nuev Nuevos os puntos para el polinomio polinomio obtenido .......................................................... 133  Tabla 66: Tabla Tabla sol solución ución trayecto trayecto +y [+1 - +20]................................................................ 137  Tabla 67: Tabla Tabla sol solución ución trayecto trayecto +y [+1 - +20]................................................................ 138  Tabla 68: Parámetros para la estática y dinámica del VRE .................................................. 146   Tabla 69: Número de servomotores empleados en el brazo robot......................................... 149   Tabla 70: Resum Resumen en la alimentación alimentación de servomotores........................................................... servomotores........................................................... 152  Tabla 71: Resumen el consumo de los elementos que se alimentan de la segunda batería bater ía .... 155  Tabla 72: Resumen la autonomí autonomíaa de las tres baterí baterías as ........................................................... 156  Tabla 73: Ran Rangos gos de funcionamiento funcionamiento de servom servomotores otores ........................................................ 164  Tabla 74: Can Cantidad tidad de comp componentes onentes mecánicos mecánicos ................................................................... 187  Tabla 75: Can Cantidad tidad de comp componentes onentes eelé léctricos ctricos .................................................................... 187  Tabla 76: Can Cantidad tidad de comp componentes onentes eele lectrónic ctrónicos os ................................................................ 188  Tabla 77: Cost Costos os de di diseño seño de ingenieria ingenieria............................................................................. 189  Tabla 78: Cost Costos os de mano mano de obra ....................................................................................... 189 189  Tabla 79: Cost Costoo total del proyecto .............. ....................................................................................... ......................................................................... 189  Tabla 80: Mediciones de coeficiente de rozamiento estático en el Punto P1......................... 194   Tabla 81: Mediciones de coeficiente de rozamiento estático en el Punto P2......................... 194   Tabla 82: Mediciones de coeficiente de rozamiento dinámico en el Punto P2 ...................... 195   Tabla 83: Medi Medidas das de superación superación de obstáculos obstáculos en P1 ......................................................... 196 196  Tabla 84: Medi Mediciones ciones de Distan Distancia cia y Temperatura .............................................................. 201  Tabla 85: Medi Mediciones ciones de Distan Distancia cia y Humedad ................................................................... 201  Tabla 86: Medi Mediciones ciones de Distan Distancia cia y CO............................................................................. 202   

 

Tabla 87: Medi Mediciones ciones de distan distancias cias ..................................................................................... 203 203  Tabla 88: Mediciones de ángulos de las articulaciones del brazo robot ................................ 204  Tabla 89: Mediciones de tiempo, corriente y empleo de PWM ............................................ 204   Tabla 90: Mediciones de tiempo, t iempo, consumo de corriente de dispositivos y brazo robot ..... ......... .... 205 

 

 

INTRODUCCIÓN Uno de los ingresos más importantes de la economía boliviana es el proporcionado por la actividad minera, después de los hidrocarburos. La mayor parte de las riquezas mineras del  país se concentra eenn los depar departamentos tamentos ooccidentales ccidentales (Potosí, La Paz y Oruro), siendo la forma de explotación más común, la subterránea. En las explotaciones subterráneas se realizan galerías, piques, chimeneas, rampas para cuidar la morfología del cerro. En todas las galerías subterráneas de Bolivia, los mineros se enfrentan a peligros de acumulación de gases tóxicos,  polvo de carbón explosivo y riesgos de derrumbe. El Cerro Rico de Potosí, es Patrimonio Cultural Intangible de la Humanidad declarado por la UNESCO. Actualmente, los hundimientos y fisuras en las galerías están empeorando a medida que pasa el tiempo, razón por llaa cual según el Dec Decreto reto Supremo Nº 27787 prohíbe prohíbe llaa extracción de mineral por encima de la cota 4400 msnm. No obstante, este Decreto es totalmente vulnerado, debido a la falta de conocimiento de los mineros y apatía de las autoridades de Comibol, que permiten esta situación. Muchas minas tapadas y/o abandonadas nuevamente son abiertas para su explotación ilegal, dejando de lado el monitoreo ambiental y estructural en las galerías. Se presentan concentraciones de humedad y variaciones de temperatura, que afectan directamente a los soportes y la fisiología de las galerías, en consecuencia a toda la estabilidad del Cerro Rico de Potosí. Es por esto que las galerías de este cerro, principalmente las abandonadas, deben ser monitoreadas para evitar futuros hundimientos o incluso derrumbes de magnitud que puede atentar contra la la seguridad y llaa salud de los trabajadores; así como a la preservación del cerro. El presente proyecto de grado presenta una implementación tecnológica para la medición del comportamiento de variables ambientales (gases, tem temperatura, peratura, humedad) y condiciones estructurales (captura de imágenes, reconstrucción 3D) de algunas galerías del Cerro Rico de Potosí, a través de un vehículo robot semiautónomo controlado inalámbricamente. El proceso de diseño del vehículo robot implica abordar diversos campos de análisis como los sistemas de telecomunicación, sistemas de control, sistemas informáticos, sistemas mecánicos, modelamiento, simulación, investigación de sistemas de visión artificial, y la descripción metodológica empleada para finalizar el proyecto.

1

 

PROBLEMA

La explotación subterránea en la minería boliviana es el método más común que actualmente se emplea; este tipo de explotación es el más peligroso, ya que para la extracción de minerales se perfora una red de galerías. En este tipo de actividad participan trabajadores de diferentes edades y sexos, los cuales se exponen a duras condiciones y peligros. Casos de muertes por inhalación de concentración de gases y derrumbes sorpresivos, son comunes en todos los centros mineros existentes en los departamentos de Potosí, La Paz y Oruro. Esta situación, según autoridades departamentales y nacionales, es normal y está pasando a segundo plano, dando mayor importancia a políticas de conservación, económica y cultural. El Cerro Rico de Potosí es Patrimonio Cultural Intangible de la Humanidad; actualmente, su  preservación es un u n tema que preo preocupa cupa a autoridades a nivel nacional, al existir hundimientos y derrumbes en todo el cerro. Los hundimientos de mayor magnitud se encuentran en la cúspide, debido a explotaciones por encima de la cota 4400 msnm. Al ver esta situación las autoridades deciden hacer cumplir el Decreto Supremo Nº 27787 para ya no explotar por encima de esa cota; no obstante, los trabajadores continúan incumpliendo esta norma, exponiéndose a la muerte ante derrumbes y debilitando cada vez más la cúspide. Otro panorama que se vive en el cerro es la explotación por debajo de la cota 4400 msnm, que es legal, pero sin embargo utiliza la mano de obra de niños; además, se continúa explotando en galerías no monitoreadas, con el riesgo de provocar derrumbes, e intoxicaciones por inhalación de gases que se concentran en el interior, así como muertes por mala oxigenación. Algunos trabajadores previenen la inhalación de gases mediante un indicador casero, que es un mechero, el cual se apaga en cuanto se presentan gases en proporción mayor al oxígeno. El rubro del turismo, en Potosí, promueve la visita de turistas nacionales y extranjeros a las minas, para conocer la historia, vivencia y morfología del cerro. Estos visitantes ingresan a galerías estables con la indumentaria básica y con la ayuda de un guía, pero estos no están completamente seguros ya que nadie realiza una prospección científica del estado estructural y ambiental de las galerías en el Cerro Rico de Potosí. 2

 

Existen escasos estudios y tesis realizadas en galerías del Cerro Rico de Potosí (estudios geotécnicos, levantamientos topográficos y concentraciones de polvo y humedad) donde se realizan mediciones solo con intervención humana. Muchos de los investigadores temen por su vida por lo que dejan de investigar zonas de alto riesgo en algunas galerías del mesionado cerro. Ante esta problemática actual que se vive en las galerías del Cerro Rico de Potosí, se propone una solución tecnológica donde no exista intervención directa del hombre para el ingreso hacia las galerías y se puedan tomar las medidas ambientales y estructurales mediante el diseño y construcción de un vehículo robot explorador semiautónomo inalámbrico, que recorra las galerías, transmitiendo transmitiendo lecturas de los niveles niveles de gases, captura de imágenes imágenes y guardando mapeos tridimensionales. Esta información es de mucha importancia para la planificación de actividades de la comunidad científica, turística y de los propios trabajadores que operan en el Cerro Rico de Potosí.

PROBLEMA CIENTÍFICO ¿Cómo diseñar y construir un vehículo robot explorador semiautónomo inalámbrico que  permita conocer el estado estructural y ambiental que se presentan en las galerías del Cerro Rico de Potosí para realizar una evaluación del estado de éstas?

OBJETO DE ESTUDIO La robótica, según el tipo de robot aborda diversos campos como los sistemas de telecomunicación, sistemas de control, sistemas informáticos, sistemas mecánicos, sistemas de visión artificial, modelamiento y simulación.

CAMPO DE ACCIÓN Diseño e implementación de un robot explorador de galerías del Cerro Rico de Potosí. La aplicación de tecnologías de sistemas de: control, telecomunicaciones, mecánicos, visión artificial, modelación y simulación.

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OBJETIVOS Objetivo General

Diseñar un vehículo robot explorador semiautónomo inalámbrico que permita conocer el estado estructural y ambiental que ssee presentan en las galerías del Cerro Rico de Potosí para realizar una evaluaci evaluación ón de éstas. Objetivos esp espe ecíf cí fi co coss

1.  Realizar un estudio de campo del estado estructural y condiciones ambientales de algunas galerías del Cerro Rico de Potosí para analizar, dimensionar y elegir el sistema de suspensión de la estructura mecánica del vehículo robot explorador. 2.  Analizar, elegir y diseñar un algoritmo basado en un control eficiente para un microcontrolador, que gestione el sistema de control semiautónomo, movimiento del  brazo robótico, lectura de sensores, actuadores y comunicación de datos del vehículo robot explorador. 3.  Analizar, elegir y diseñar un algoritmo para una microcomputadora, que procese la información capturada por las cámaras y el sensor de escaneo 3D. 4.  Analizar, elegir y configurar los módulos de transmisión, según su alcance y eficiencia energética. 5.  Simular e integrar los sistemas electrónicos e informáticos, en una estructura mecánica (estructura del vehículo robot), para la identificación y corrección temprana de errores que puedan entorpecer el funcionamiento del vehículo robot explorador.

PREGUNTAS CIENTÍFICAS 1.  ¿Cómo definir las dimensiones y el peso total del vehículo robot explorador basado en las dimensiones promedio promedio de las galerías del Cerro Rico de Potosí y las pendientes extremas para definir la la tracción, la estabili estabilidad dad y la eficiencia energética del vehículo vehículo robot explorador en la altura? 2.  ¿Qué tipo de tecnología inalámbrica es la adecuada según su alcance y su eficiencia energética para el control y monitoreo del vehículo robot explorador? 4

 

3.  ¿Qué métodos de análisis cinemático se emplearán para el desplazamiento del brazo robot del vehículo robot explorador? 4.  ¿Qué tipo de actuadores y transductores serán apropiados para el diseño del brazo robótico y vehículo robot explorador? 5.  ¿Qué fundamentos teóricos y técnicas científicas/empíricas sustentarán el sistema de control semiautónomo del vehículo robot explorador? 6.  ¿Qué metodología y tecnología permitirá la obtención de mapeo tridimensional del entorno estructural de galerías del Cerro Rico de Potosí a través de recorridos  planificados del vehículo robot explorador? explorador ?

TAREAS DE INVESTIGACIÓN 1.  Analizar, dimensionar, determinar y diseñar la estructura mecánica del vehículo robot según las condiciones geomecánicas y los tipos de fuentes eléctricas necesarias para el funcionamiento del vehícul vehículoo robot en las condiciones actuales de las las galerías del Cerro Rico de Potosí. 2.  Estudiar las características de las tecnologías inalámbricas para el telecontrol del vehículo robot explorador. 3.  Emplear el método algebraico para definir los grados de libertad del brazo robot y así obtener la cinemática directa e inversa, según los límites mecánicos del cuerpo del vehículo robot explorador. 4.  Analizar la clasificación de motores, servomotores y sensores de posición para el desplazamiento del brazo robótico y vehículo robot explorador. 5.  Analizar y aplicar un modelo matemático adecuado para el monitoreo y control de los sistemas principales del vehículo robot explorador. 6.  Investigar las micro PC y los sensores de escaneo para implementar la interfase y  posteriormente el mapeo tridimensional a realizarse con el vehículo robot explorador explorado r en las galerías del Cerro Rico de Potosí.

JUSTIFICACIÓN La aplicación de la robótica hace posible el diseño de vehículos no tripulados que pueden acceder a algunos lugares inaccesibles y estos cumplan con tareas de riesgo para el ser 5

 

humano. Anualmente se producen muchas muertes de trabajadores en galerías del Cerro Rico de Potosí, no existiendo datos estadísticos precisos sobre cuántas muertes suceden al año. Hecha la consulta a Comibol, asociaciones e investigadores de la UATF, las muertes más frecuentes se dan por intoxicación y derrumbes en galerías del Cerro Rico de Potosí, aspectos que deben ser monitoreados constantemente, para tomar medidas correctivas y/o preventivas. Hasta la fecha, no se conocen datos relevantes de los aspectos estructurales y ambientales de las galerías del Cerro Rico de Potosí, ya que tienden a constituirse en depósitos de gases letales y ser propensos a los derrumbes. Investigadores y docentes de las facultades de Ingeniería Geológica, Minera y Medio Ambiental de la UATF, mencionan que existen escasos estudios y tesis realizadas en relación a las galerías del Cerro Rico de Potosí. Los estudios geotécnicos, levantamientos topográficos y concentraciones de polvo y humedad existentes se han realizado con equipos manuales de medición. El diseño de un vehículo robot para galerías, integra diferentes sistemas de  software y hardware, haciendo que sea una herramienta necesaria para obtener datos del estado ambiental

y estructural de las galerías del Cerro Rico de Potosí; herramienta que debe cumplir normas internacionales y leyes nacionales en su diseño, construcción y área ambiental de trabajo. Se utiliza normas como ANSI38 y DIN que trata sobre elección de propiedades de materiales, dibujo y presentación de planos; norma ISO 14000 que trata sobre la gestión ambiental para el uso de materiales y componentes contaminantes; norma ISO 9000 que trata sobre la gestión de calidad de productos para personal que requiera el uso de herramientas; herramientas; normas ISA100, ISM que tratan sobre el uso libre de algunas frecuencias en el espectro de radiofrecuencias, además de la realización de interfases para transmisión inalámbrica de datos. El diseño apoyará a las empresas mineras en el cumplimiento de normativas legales del sector minero como la Ley Boliviana N° 535 Capítulo III, que trata sobre la licencia ambiental, responsabilidad y la actividad minera en áreas protegidas; Ley Boliviana del medio Ambiente  N° 1333 que trata sobre el control de la contaminación atmosférica en el uso de sustancias  peligrosas.

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El uso de esta herramienta permite realizar el monitoreo casi inmediato de algunos parámetros estructurales y ambientales de las galerías, que logra realizar una previa evaluación del estado de las mismas.

APORTE CIENTÍFICO El aporte científico es la sistematización y la conjunción de las distintas áreas para aplicar en la Robótica (mecánica de vehículos, dispositivos y/o componentes electrónicos, software libre, librerías y paquetes de reconstrucción 3D). 

SIGNIFICACIÓN PRÁCTICA Este proyecto de grado resulta ser un gran aporte a la comunidad potosina, ayudará a comprender el impacto negativo de algunos gases tóxicos, además de conocer el estado estructural que se presentan en llas as galerías del Cerro Rico de Potosí para su estudio, estudio,  preservación y actividad turística, sin necesidad de arriesgar ar riesgar vidas humanas. La seguridad de los trabajadores no se puede garantizar ni controlar, ya que ello depende de varios factores: económicos, sociales, políticos y medioambientales. El vehículo robot garantizará la obtención y el registro de datos científicos que, por el momento no son accesibles al ser humano. Los registros del vehículo robot coadyuvarán al desarrollo de  políticas que mejoren las condiciones de exploración y preservación del de l Cerro Rico de Potosí.

MÉTODOS UTILIZADOS Como parte del conocimiento necesario para administrar las actividades asociadas al desarrollo del robot explorador, se aplica una metodología a fin de lograr reducciones de tiempo del proyecto y facilitar la interacción entre los participantes del trabajo.

Métodos teóricos  teóricos   Análisis  Aná lisis  –  Sí  Sí nt nte esis

Es un método que consiste en la separación de las partes de un todo para estudiarlas en forma individual (Análisis), y la reunión racional de elementos dispersos para estudiarlos en su totalidad (Síntesis). 7

 

Con el método de análisis se separa el proyecto partiendo de la robótica. De esta manera se divide la robótica en tres partes principales: la mecánica, la electrónica y la informática para  poder hacer un estudio detallado y exhaustivo de los elementos necesarios para el proyecto que engloban cada una de las partes principales. Con el método de síntesis se engloba los elementos de cada una de las tres partes principales del proyecto y a partir del conocimiento de las partes y las uniones entre ellas se llega a comprender mejor el proyecto de robótica.  Análisis  Aná lisis bi bliográ liográfifico co

Para el desarrollo de este proyecto se recolectó, seleccionó, clasificó, evaluó y analizó, material audiovisual y virtual (documentos, libros, páginas de investigación) sobre la evolución de la robótica, mecánica, electrónica e informática.  Si  Sist sté émico

Este método contempla un análisis holístico de todos los sistemas vinculados a la robótica. Asi es que se considera pertinente hacer un análisis de la mecánica, la electrónica y la informática. Dentro de la mecánica se analiza y desarrolla aspectos que permite el desarrollo de una estructura para el montaje, desplazamiento y traslación de los componentes electrónicos. Dentro de la electrónica se analiza y desarrolla el control de la mecánica con el uso de actuadores, además del acondicionamiento de señales para los diferentes dispositivos electrónicos. Dentro de la informática se analiza y desarrolla los algoritmos en  software libre  para el co control ntrol electrónico de la mecánica, la lectura de datos de los sensores sensor es electrónicos, el  procesamiento digital de imágenes y la recontruccion 3D. 3D .  Mode  Mod ela lació ción n

Es la reproducción natural o artificial de un objeto original para el estudio de sus  particularidades. Se emplea este método en los diferentes diagramas de modelación CAD, que pertenecen a la herramienta de diseño 3D, el cual documenta el desarrollo de la estructura mecánica del vehículo robot explorador.

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 Si  Sim mula ulació ción n 

Es el artificio contextual que referencia la investigación de una hipótesis o un conjunto de hipótesis de trabajo utilizando modelos. Este método se emplea antes de realizar la construcción del explorador para dar la idea de cómo funciona el sistema electrónicomecánico-informático.

Métodos empíricos E xpe xperr i menta ntaci ción ón 

Consiste en el estudio de un fenómeno, reproducido generalmente en un laboratorio, en las condiciones particulares de estudio que interesan, eliminando o introduciendo aquellas variables que puede influir en él. Con este método se comprueba el cambío de las variables de la simulación ante condiciones reales ambientales y estructurales. Debe ser guiado por el método científico. Observación 

Consiste en la la percepción dirigida a la obtención de información sobre objetos y fenómenos de la realidad, que puede ser simple, sistemática, participante y no participante. Este método ayuda en el proceso de ajustes de variables matemáticas, matemáticas, físicas e informáticas para el diseño del vehículo robot explorador. Debe ser guiado por el método científico.

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Capítulo 1 Marco Teórico

 

 

CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO 1.1 GENERALIDADES DE LA ROBÓTICA 1.1.1 Definiciones Robótica La robótica es una tecnología multidisciplinaria que reúne de manera concurrente conocimientos de ciencias aplicadas como la ingeniería electrónica, la ingeniería mecánica, la ingeniería de sistemas y la inteligencia artificial, dirigidos al diseño y la construcción de máquinas o artefactos que realizan tareas específicas sin la intervención directa del hombre, mejor conocidos como robots.

Robot El robot se define, de manera formal en la Organización Internacional para la Estandarización (ISO), como un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materiales,  piezas, herramientas o dispositivos especiales, a través de movimientos variables  programados, para el desempeño de tareas diversas.

1.1.2 Historia Los robots se remonta a tiempos antiguos, hace más de 3000 años en la leyenda hindú de los elefantes mecánicos, la palabra robot se usó por primera

Figura 1: Robot Unimate

vez en 1921, en la obra de teatro Rossum‟s Universal Robots (RUR), escrita por el checo Karel Čapek . Isaac Asimov, en sus historias de ciencia ficción de los años cuarenta, imaginaba al robot como ayudante de la humanidad y postulaba tres reglas básicas para robots. Estas se conocen como las leyes de la robótica.

Fuente: http://www.motherjones.com/files/gall_unimate_0.j  pg 

Inspirado por los libros de Asimov sobre robots, Joseph H. Engelberger intentó diseñar un robot trabajador en la década de los cincuenta. Junto con George C. Devol, funda la empresa Unimation Robotics Company en 1958. Sin embargo, el primer robot de esta compañía es 10

 

instalado hasta 1961, en la compañía automotriz de General Motors en Nueva Jersey, Estados Unidos. Este robot tenía 5 grados de libertad (Degrees of freedom: DOF), como se muestra en la Figura 1. Desde entonces, la robótica evoluciona en un sinnúmero de aplicaciones, desde su uso en soldadura, pintura, ensamble, inspección, agricultura, enfermería, cirugía médica, usos militares y seguridad hasta las exploraciones subacuáticas y del espacio. En cuanto a los robots exploradores tiene muchas repercusiones por dos países que Figura 2: Sala de control de los robots Lunojod

actualmente siguen en lucha por conquista del espacio, se trata de la Unión Soviética (Actual Rusia) y Estados Unidos. Todo empieza con el

Programa Lunojod que

involucra a los robots a control remoto (Figura 2) Lunojod 1, 2 y 3 (Figura 3) que son astromóviles soviéticos no Fuente: http://www.ikerjimenez.com/noticias/lunokhod -la-mision-lunar-sovietica/lunokhod1controlador.jpg  

tripulados que alunizaron en 1970, 1973 respectivamente, el 24 de agosto de 1976 el programa se da por concluido por lo que finalmente el Lunojod 3 no llega a ser empleado que actualmente está expuesto en el museo Ruso NPO

Lavochkin. Todos estos robots fueron diseñados por Alexander Kemurdjianl en la empresa  NPO Lavochkin con misiones de explorar la superficie y enviar imágenes de la luna. Figura 3: Robots del Programa Lunojod a) Lunojod 1, b) Lunojod 2, c) Lunojod 3

Fuente: http://www.ikerjimenez.com/noticias/lunokhod-la-mision-lunar-sovietica  

Sin embargo, como el Programa Lunojod permaneció en secreto durante más de 20 años, fue uno de los mayores éxitos en ingeniería de la Unión Soviética en aquella época. Mientras tanto, los Estados Unidos de América empiezan el ambicioso Programa de Exploración de Marte. 11

 

Las misiones al planeta Marte dan un nuevo enfoque en la Robótica. Este nuevo tipo de Robótica se denomina Robótica Autónoma. Empiezan con el Sojourner (Figura 4a) que aterriza en 1997, el 4 de enero de 2004 aterriza otro robot, el Spirit (Figura 4b) seguido de su gemelo Opportunity (Figura 4b) que aterriza con éxito el 24 de enero de 2004, estos tres robots tienen como objetivos científicos investigaciones geológicas, ambientales e historia evolutiva de la superficie. Figura 4: Robots del Programa de Exploración de Marte a) Sojourner, b)Spirit / Opportunity

http://cdn.theatlantic.com/static/mt/assets/science/EvolutionofRovers.jpg

Ante el éxito la NASA decide enviar a otro robot mucho más sofisticado, llamado Curiosity (Figura 4c), que aterriza

 

Figura 5: Renderizado Renderizado del Robot de la Mars 2020 

exitosamente en el cráter Gale el 6 de agosto de 2012, los objetivos son más científicos de los que se destacaba determinar la existencia de vida en Marte. Actualmente la NASA tiene programado enviar el 2020 a otro robot con con más capacidad

y mejorado en diseño que el

Fuente: http://www.skyandtelescope.com/wpcontent/uploads/mars-2020-rover.jpg

Curiosity, cuyo renderizado se muestra en la Figura 5. Figura 6: Robot Yutu 

Por contraparte, los chinos, empiezan la conquista del espacio con un el robot Yutu (Conejo de Jade) (Figura 6), un vehículo lunar de 1,5 m de largo, con un peso de 120 kg diseñado para explorar la superficie de la Luna durante unos tres meses, como  parte de la misión Chang'e 3.1. 3 .1. Este robot aterrizó el Fuente:

http://static3.actualidadgadget.com/wp-

14 de diciembre de 2013 a 400 kilómetros al este del

content/uploads/2013/11/robot.jpg

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cráter lunar Bahía de los Arcoíris.

Figura 7: Robot Bridget 

Europa también está con ambiciones de preparar futuras misiones al Planeta Rojo con el robot Bridget (Figura 7) diseñado por la Agencia Espacial Europea (ESA). El robot ya emprende sus pruebas en el desierto de Fuente: http://g.cdn.ecn.cl/exploracionespacial/files/2013/10/SAFER_field_test_rover.jpg  

Atacama Chile, superficie similar a la de Marte.

1.1.3 Clasificación de los robots Al pasar de los años la robótica está evolucionando en una gran variedad de formas, características y aplicaciones, dentro de algunas formas de clasificación están las siguientes: -

Según su arquitectura

-

Según su aplicación

-

En base a su evolución

Según su arquitectura Poliarticulados:  son sedentarios y están estructurados para mover sus elementos terminales en un determinado espacio de trabajo con un número limitado de grados de libertad.

Móviles:  cuentan con gran capacidad de desplazamiento, basados en carros o plataformas y dotados de un sistema locomotor de tipo rodante. Siguen su camino por telemando o guiándose por la información recibida de su entorno a través de sus sensores.

Androides: intentan reproducir total o parcialmente la forma y el comportamiento cinemático del ser humano. Uno de los aspectos más complejos de estos robots es la locomoción bípeda.

Zoomórficos: imitan los sistemas de locomoción de los diversos seres vivos Híbridos: aquellos de difícil clasificación cuya estructura se sitúa en combinación con alguna de las anteriores. 13

 

Según su aplicación Industriales:  son artilugios mecánicos y electrónicos destinados a realizar de forma automática determinados procesos de fabricación o manipulación.

Seguridad y espacio: relativos al uso de robots de tierra, mar y aire en misiones de seguridad civil o militar así como su uso en misiones espaciales.

De servicio: sistemas aplicados en los dominios de la vida: entornos domésticos y de ocio, en salud y rehabilitación, en servicios profesionales y en ambientes peligrosos; que reproducen acciones de ayuda a los humanos.

En base a su evolución 1º Generación: sistemas de control basado en “paradas fijas” mecánicamente (mecanismos de relojería que mueven las cajas musicales o los juguetes de cuerda). 2º Generación: el movimiento se controla a través de una secuencia numérica almacenada en disco o cinta magnética (industria automotriz).

3º Generación:  utilizan las computadoras para su control y tienen cierta percepción de su entorno a través del uso de sensores. Con esta generación se inicia la era de los robots inteligentes y aparecen los lenguajes de programación.

4º Generación: robots altamente inteligentes con más y mejores extensiones sensoriales, para entender sus acciones y captar el mundo que los rodea. 5º Generación: actualmente se encuentran en desarrollo. Basaran su acción principalmente en modelos conductuales establecidos.

1.1.4 Autonomía de un robot “Para que el robot pueda tener un grado de autonomía, es necesario que cuente con un sistema de control lazo cerrado. Este consiste en censar parámetros leídos por sensores de manera

14

 

constante y así tener acción directa sobre los actuadores con el fin de prevenir golpes o caídas. En la Figura 8 se muestra los niveles de de autonomía para un robot móvil”. 1  Figura 8: Niveles de autonomía para un robot móvil

PULIDO FENTANES, Jaime. Exploración y reconstrucción tridimensional de entornos exteriores mediante robots móviles  

1.2 MECÁNICA 1.2.1 Cinemática La cinemática es la rama de la física que estudia las leyes del movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente, al estudio de la trayectoria en función del tiempo. La cinemática del robot estudia el movimiento del mismo con respecto a un sistema de referencia. Así, la cinemática se interesa por la descripción analítica del movimiento espacial del robot como una función del tiempo. 1

  PULIDO FENTANES, Jaime. Exploración y reconstrucción tridimensional de entornos exteriores mediante robots móviles. Tesis Doctoral (Ingeniero Macartrónico). Valladolid, España: Universidad de Valladolid, Departamento de Ingeniería en Sistemas y Automática, 2012. 149 h.

15

 

Existen dos problemas fundamentales para resolver la cinemática del robot, el primero de ellos se conoce como el problema cinemático directo, y consiste en determinar cuál es la posición y orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas que se toma como referencia y conocidos los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot; el segundo denominado problema cinemático inverso resuelve la configuración que debe adoptar el robot para una posición y orientación conocidas.

1.2.2 Cinemática para vehículos robots Existen diferentes configuraciones cinemáticas para vehículos robots según el sistema de locomoción. La

Figura

9

muestra

Figura 9: Configuraciones primitivas de robots móviles 

cuatro

configuraciones primitivas de robots móviles.

Las

coordenadas

(x,y)

suministran la posición del robot con respecto a las coordenadas globales y el ángulo   su orientación con respecto a un eje horizontal. La configuración de la Figura 9a es la denominada síncrona, en la cual existen transmisiones que permiten orientar

las

tres

ruedas

simultáneamente con una velocidad

Fuente:  Fuente: Baturone, Aníbal O. Robótica Manipuladores y robots móviles. Marcombo, S.A. Barcelona (España), 2001. “Capitulo 4: Modelos de diferentes configuraciones”  

angular  y hacer que el vehículo se desplace con una velocidad lineal v. En la Figura 9b se representa la configuración diferencial, en este caso las variables de control son las velocidades de las ruedas laterales. El esquema de la Figura 9c representa el triciclo convencional, en el cual la rueda delantera se utiliza para la orientación. En este caso las variables de control suelen tomarse como el ángulo α de dirección de la rueda delantera (o su velocidad angular a ngular

   )

y la velocidad de giro de la

misma rueda. 16

 

En la Figura 9d se ve un vehículo de cuatro ruedas con un sistema de locomoción con configuración Ackerman. El centro de guiado del vehículo está situado en la mitad del eje de las ruedas de tracción (ruedas traseras). El vehículo puede representarse también según el modelo de la bicicleta. Sin embargo, en general no existen expresiones explícitas de la cinemática inversa de la configuración Ackerman.

1.2.3 Cinemática para brazos robóticos Figura 10: Cinemática directa e inversa

Fuente: Kumar, Subir. Introducción a la robótica. McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.: México, 2010. “Capitulo 6: Análisis de la posición directa ” 

1.2.4 Métodos para resolver la cinemática directa Método algebraico: Utiliza el álgebra para representar y describir la localización de un objeto en el espacio tridimensional con respecto a un sistema de referencia fijo.

Matrices de Denavit-Hartenberg: Este algoritmo realiza una secuencia de traslaciones y rotaciones a lo largo de los eslabones del robot, por tal motivo el algoritmo tiene por objetivo encontrar una tabla por eslabón que describe los cambios en rotación y traslación de los ejes.

17

 

1.2.5 Métodos para resolver la cinemática inversa Soluciones de forma cerrada Método algebraico: Este este método emplea herramientas matemáticas como relaciones trigonométricas, suma de ecuaciones y binomios.

Método geométrico: Se suele utilizar para las primeras variables articulares en el que se emplea relaciones geométricas y trigonométricas.

Desacoplamiento cinemático Generalmente se emplea para desplazar el efector final, donde la cadena cinemática sufre las consecuencias de separación y posicionamiento.

Métodos numéricos Métodos de eliminación simbólica: Implica manipulaciones analíticas para eliminar las variables del sistema de ecuaciones no lineales para reducir a un conjunto más pequeño de ecuaciones.

Métodos iterativos: Se trata de converger a una única solución basada en una inicial. El método de Newton-Raphson proporciona un enfoque fundamental que utiliza una aproximación de primer orden a las ecuaciones originales.

Matrices de Denavit-Hartenberg Este algoritmo realiza una secuencia de traslaciones y rotaciones a lo largo de los eslabones del robot donde se despejan las n variables en función de las componentes de los vectores.

Lógica difusa (Anfis) El cálculo de la cinemática inversa se realiza en la entrada del Sistema de Inferencia (FIS), aplicando funciones miembro gaussianas, campana y trapezoidal, y se comparan los resultados con los los deducidos analí analíticamente ticamente a partir de llas as ecuaciones cinemáticas. cinemáticas. La lógica lógica difusa simplifica el cálculo de la CI aproximándola dentro de márgenes de error permitidos.

18

 

1.2.6 Sistemas de suspensión para vehículos robots todo terreno Rocker-Bogie Figura 11: Diagrama del mecanismo Rocker-Bogie 

El sistema de suspensión Rocker-Bogie (Figura 11) utilizado en los rovers de la misión Marte, introducidos

por

el

Sojourner

y

que

actualmente es el diseño favorito de la NASA.  Cuenta con un mecanismo conformado por un  bogie (dos o tres pares de ruedas montadas sobre ejes paralelos entre sí) y un eje basculante Fuente: http://112.220.84.59:8080/PmcXml_WorkBench/upload/kosss/OJ OOBS/2012/v29n4/OJOOBS_2012_v29n4_413_f003.jpg  

o balancín (rocker en inglés), los mismos que están conectados al chasis del vehículo por medio de un diferencial mecánico. cuyas

características se muestra en la Tabla 1. Tabla 1: Características del sistema de suspensión Rocker-Bogie Característica  Nº de ruedas ruedas  Configuración geométrica de las ruedas

Descripción 6 Tres ruedas en cada lado simétricamente distribuidas a lo largo robot. Sistema de suspensión Rocker-Bogie en cada lado del cuerpo del robot. Ambos

Mecanismo de Suspensión

mecanismos se unen entre sí por medio de un diferencial que mantiene el cuerpo del robot en una posición intermedia con respecto a la posición de los rockers de cada lado. Gran estabilidad y adaptabilidad a terrenos irregulares con mínimos movimientos del chasis y capacidad de superar obstáculos de alturas iguales a 1,5 veces el diámetro de sus ruedas.

Chasis 

Un diferencial se une rígidamente al chasis, por lo tanto el cuerpo puede mantenerse estable sin balancearse a pesar de estar aparentemente sostenido solo por un eje. Dirección independiente independiente en las cuatro ruedas de las esquinas por medio de cuatro motores. El centro de rotación queda alineado con las ruedas centrales y por lo tanto estas no

Subsistema de dirección

necesitan modificar su orientación. La velocidad de todas las ruedas puede establecerse en el valor adecuado para evitar deslizamientos rotacionales al momento de dar una curva, gracias a las características del subsistema de tracción.

Subsistema de tracción

Cada rueda tiene acoplado directamente en su eje un motor-reductor DC. Se requieren seis señales de PWM para controlar los seis motores.

19

 

Crab-8 El sistema de suspensión CRAB-8 (forma de

Figura 12: Diagrama del mecanismo CRAB-8 

cangrejo) (Figura 12) es un sistema de suspensión de ocho ruedas que hace uso de dos bogies paralelos en cada lado que están conectados al chasis. El sistema es simétrico con respecto al centro de masa. Cuyas características se muestra en la Tabla 2.

Fuente: http://e-collection.library.ethz.ch/eserv/eth:8088/eth8088-01.pdf  

Tabla 2: Características del sistema de suspensión CRAB-8 Característica

Descripción

 Nº de ruedas ruedas 

8

Configuración geométrica de

Cuatro ruedas separadas en par de 2 bogies simétricamente distribu distribuidas idas en los extremos del

las ruedas

robot. Bogies paralelogramos a cada lado y en los extremos del cuerpo del robot. Articulación de

Mecanismo de Suspensión

cuatro barras con resorte para unir cada bogie con el chasis. El resorte garantiza al bogie con el suelo en todo momento y es necesario para superar los obstáculos. Este sistema tiene la capacidad de superar obstáculos de hasta dos veces el diámetro de las ruedas y permite incluso subir escaleras. El cuerpo del robot mantiene su estabilidad gracias a 4 puntos de apoyo principales que

Chasis 

son: dos uniones del chasis con los bogies delanteros y otras dos uniones del chasis con los  bogies traseros. traseros. Dirección independiente en las cuatro ruedas de las esquinas por medio de cuatro servos

Subsistema de dirección

conectados directamente al eje de dirección de cada una de ellas. Capacidad de giro sobre su propio eje. Radios de giro pequeños sin deslizamiento de las ruedas. Alta maniobrabilidad.

Subsistema de tracción

Cada rueda tiene acoplado directamente en su eje un motor-reductor DC. Se requieren ocho señales de PWM para controlar los ocho motores.

DFBL El sistema de suspensión DFBL (Double Four Bar Linkage o Double 4-Bar Linkage, Mecanismo doble de 4 barras enlazadas) (Figura 13) es un conjunto de 4 bogies modificados. En la que cada una consiste de 4 barras enlazadas para amortiguar.

20

 

Figura 13: Sistema de suspensión DFBL 

Aunque la estructura es complicada, el sistema tiene una estructura simétrica en todas las direcciones y muestra el mismo rendimiento cuando se mueve hacia adelante o hacia atrás. Una  bisagra triangular invertida conecta la articulación de 4 barras cuando cambia la posición de acuerdo con la altura del obstáculo, y esto a su vez cambia la

Fuente: http://central.oak.go.kr/repository/journal/11801/OJOOBS_  2012_v29n4_413_f006.jpg

 posición de las ruedas. rueda s. Puede girar fácilmente en su lugar y hacer una curva con el motor de dirección,

el centro de gravedad está situado en el centro del robot. Las características de este sistema se muestran en la Tabla 3. Tabla 3: Características del sistema de suspensión DFBL  Característica

Descripción

 Nº de ruedas ruedas 

8

Configuración geométrica

Cuatro ruedas separadas en par de 2 bogies articulados simétricamente distribuidas en los

de las ruedas

extremos del robot.

Mecanismo de suspensión

Bogies articulados a cada lado y en los extremos del cuerpo del robot. Articulación de cuatro  barras con resorte para unir cada bogie con el chasis. El resorte y la articulación garantizan garantizan al  bogie con con el suelo en todo momento momento y es necesario para para superar mejo mejorr los obstáculos. obstáculos. El cuerpo del robot mantiene su estabilidad gracias a 4 puntos de apoyo principales que son: dos

Chasis 

uniones del chasis con los bogies delanteros y otras dos uniones del chasis con los bogies traseros. Dirección independiente en las cuatro ruedas de las esquinas por medio de cuatro servos

Subsistema de dirección

conectados directamente al eje de dirección de cada una de ellas. Capacidad de giro sobre su propio eje. Radios de giro pequeños sin deslizamiento de las ruedas. Alta maniobrabilidad.

Subsistema de tracción

Cada rueda tiene acoplado directamente en su eje un motor-reductor DC. Se requieren ocho señales de PWM para controlar los ocho motores.

21

 

1.2.7 Brazo robótico  Normalmente, un robot industrial es serial por naturaleza, tal como se

Figura 14: Robot industrial fabricado por la compañía Cincinnati Milacron de USA 

muestra en la Figura 14, por lo que a se les conoce como robots seriales. Cualquier robot, serial o de otro tipo, consiste

en

subsistema

varios

subsistemas:

de

movimiento,

subsistema de reconocimiento, etc.

1.2.8 Subsistemas de robots Un sistema robótico consiste por lo general subsistema

en

tres de

subsistemas: movimiento,

subsistema de reconocimiento y subsistema de control.

Fuente: Kumar, Subir. Introducción a la robótica [en línea]. McGRAWHILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.: Mexico, 2010. “Capitulo 1: Robots”  Robots” 

Subsistema de movimiento El subsistema de movimiento es la estructura física del robot que realiza un movimiento deseado parecido al de los brazos humanos, tal como se ilustra en la Figura 15. Figura 15: Manipulador robótico y sus partes equivalentes en el cuerpo humano

Fuente: Kumar, Subir. Introducción a la robótica [en línea]. McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.: Mexico, 2010. “Capitulo 1: Robots”  

22

 

Los elementos del subsistema de movimiento son los siguientes:

Manipulador: Se trata de la estructura física, la parte que se está moviendo. Ésta incluye eslabones (también llamados “cuerpos”) y articulaciones (que también se denominan “pares cinemáticos”), cinemático s”), normalmente conectadas en serie.  serie. 

Efector final: Es la parte instalada en el extremo del manipulador. Es equivalente a la mano humana. Un efector final puede ser una mano mecánica, herramientas especializadas, como un electrodo de soldadura, un soplete oxiacetilénico, una brocha de pintura o una muela abrasiva montada en el extremo de un brazo manipulador para la ejecución de tareas específicas.

Actuador:  Los actuadores de un robot proporcionan el movimiento para el manipulador y  para el efector final. Se clasifican como neumáticos, hidráulicos o eléctricos, según su  principio de operación.

Transmisión: Como lo sugiere el término, estos elementos transmiten el movimiento de motores y de actuadores a los eslabones del manipulador. En el caso de motores eléctricos, estos elementos, junto con el motor eléctrico, forman un actuador. Los siguientes son elementos de transmisión típicos: - 

Transmisión por banda y cadena: Los accionamientos por banda se utilizan mucho en la robótica, especialmente la banda síncrona. Sin embargo, su vida útil es breve, ya que dependen de la tensión de la banda para producir agarre a través de la polea. Las cadenas, por otro lado, son por lo general más económicas. Tienen una mayor capacidad de carga y una vida útil más larga en comparación con las transmisiones por  banda, aunque menor en comparación con los engranajes.

- 

Engranajes:  Entre todas las transmisiones mecánicas, los diferentes tipos de engranajes son los más confiables y duraderos, aunque el juego entre los dientes tiene que tomarse en cuenta cuidadosamente durante la fase de diseño.

- 

Mecanismos de eslabones: A fin de reducir el peso y exceso de flexibilidad de los elementos de transmisión arriba mencionados, se emplean los mecanismos de eslabones.

23

 

Subsistema de reconocimiento El subsistema de reconocimiento utiliza diferentes sensores para recabar información sobre el  propio robot, sobre cualquier objeto o bjeto que va a ser manipulado y sobre so bre el ambiente de trabajo. Basándose en los datos de los sensores, este subsistema reconoce el estado del robot, el de los objetos y el del ambiente de trabajo. Normalmente en los siguientes dos elementos:

Sensores:  La mayoría de los sensores son esencialmente transductores, que convierten la forma de una señal en otra. Por ejemplo, el ojo humano convierte patrones de luz en señales eléctricas. Los sensores forman parte de una de varias áreas generales: visión, tacto, detección de rango y proximidad, navegación, reconocimiento del habla, etc. Cada una de estas áreas es en sí un área de investigación individual.

Convertidor analógico digital (ADC): Este dispositivo electrónico se comunica con los sensores y con el controlador del robot. Por ejemplo, el ADC convierte el voltaje creado por una deformación unitaria en una galga extensiométrica en una señal digital, es decir, 0 o 1, de manera que el controlador digital del robot puede procesar esta información. Físicamente se ve como cualquiera otra tarjeta de interfase de computadora dentro de la unidad de procesamiento central (CPU).

Subsistema de control El subsistema de control regula el movimiento del robot con el fin de lograr una determinada tarea, usando la información proporcionada por el subsistema de reconocimiento. El papel de un sistema de control en un mando de robot. Principalmente consiste en los siguientes dispositivos:

Controlador digital: El controlador digital es un dispositivo electrónico especial que tiene un CPU, memoria y, a veces, un disco duro para almacenar los datos programados.

Convertidor digital analógico (DAC): Un DAC convierte la señal digital del controlador del robot en una señal análoga para accionar los actuadores; por ejemplo, un motor eléctrico de CD. El controlador digital también está acoplado a un DAC para reconvertir su señal en una señal análoga equivalente, es decir, el voltaje eléctrico para el motor de CD.

24

 

Amplificador: Puesto que los comandos de control del controlador digital convertidos en señales análogas por el ADC son muy débiles, requieren de amplificación para realmente accionar los motores eléctricos del manipulador de robot.

1.2.9 Ruedas La rueda se considera como una pieza mecánica circular que gira alrededor de un eje, en el campo de la robótica móvil las ruedas ejecutan funciones específicas por las que se les da el nombre de:

Figura 16: Rueda a) Fija b) Orientable  

Rueda fija Son ruedas que giran en torno a su eje, las variables que se modifican a cada instante son la velocidad angular (w) y la velocidad lineal (v). En la Figura 16a se aprecia la configuración de este tipo de rueda.

Rueda orientable Son ruedas que aparte de girar sobre su eje  perpendicular, giran sobre un eje de orientación, or ientación, las

Fuente: Siegwart, Roland. Introduction to Autonomous Mobile Robots, The MIT Press. Cambridge, Massachusetts. 2004.

variables que se modifican a cada instante son la el ángulo de direccionamiento (   ), velocidad angular y velocidad lineal, En la Figura 16b se ilustra la configuración de este tipo de rueda.

1.2.10 Materiales de construcción Aluminio Es un material no Ferromagnético, posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería de materiales, tales como su baja densidad y su alta resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica. Es  buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es muy accesible.

25

 

Tabla 4: Características del aluminio  Característica

Descripción

Color

Plateado

Composición principal

Aluminio

Densidad

2,7 [g/cm³]

Punto de fusión

600 [°C]

reflejo de radiación

Electromagnética Electr omagnética y térmica

Conducción

Eléctrica Eléctri ca y térmica

Fibra de carbono La fibra de carbono es un material que consta de numerosos filamentos extremadamente finos, cuyo principal componente es el grafito. Tabla 5: Características de la fibra de carbono  Característica

Descripción

Color

Plateado, negro, azul, rojo.

Composición principal

Grafito Grafit o

Densidad

1.75 [g/cm³]

Punto de fusión

3800 [°C]

Reflejo de radiación

Electromagnética Electr omagnética

Conducción

Eléctrica

Fibra de vidrio Es un material que consta de numerosos filamentos y extremadamente finos de vidrio. Tabla 6: Características de la fibra de vidrio  Característica

Descripción

Color

Plateado, negro, azul, rojo.

Composición principal

Sílice, arena y cuarzo

Densidad

1,6 [g/cm³]

Punto de fusión

1250 [°C]

Reflejo de radiación

Ninguna

Conducción

Ninguna

26

 

Plásticos ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno) Es un plástico muy resistente al impacto, no biodegradable y reciclable. Tabla 7: Características del ABS  Característica

Descripción

Color

Variedad

Composición principal

Acrilonitrilo, Acrilonitri lo, Butadieno y Estireno

Densidad

1,05 [g/cm³]

Punto de fusión

215 [°C]

Reflejo de radiación

Ninguna

Conducción

Ninguna

PLA (Ácido Poliláctico o Poliláctido)   Plástico biodegradable procedente de maíz o patata. Reciclable, por lo que es posible su reutilización después de un proceso adecuado. Tabla 8: Características del PLA  Característica

Descripción

Color

Variedad

Composición principal

Ácido Poliláctico

Densidad

1,24 [g/cm³]

Punto de fusión

160 [°C]

Reflejo de radiación

Ninguna

Conducción

Ninguna

27

 

1.3 ELECTRÓNICA 1.3.1 Control Sistemas de control Figura 18: Sistema de control lazo abierto 

Fuente: Editado por Sergio A. Bellido P.

Figura 17: Sistema de control lazo cerrado 

Fuente: Editado por Sergio A. Bellido P.

Los sistemas de control pueden ser de dos tipos: - 

Lazo abierto: Son aquellos en los que no se compara la salida del sistema con el valor deseado (Figura 18). 

- 

Lazo cerrado: Son aquellos aquellos en la que la señal de salida del sistema tiene efecto directo sobre el control (Figura 17).

Tipos de sistemas de control Control de dos posiciones (On - Off): Son los más básicos, estos envían una señal de activación cuando la entrada de señal es menor que un nivel de referencia definido  previamente y desactiva desact iva la señal de salida cuando la señal de entrada es mayor que la señal se ñal de referencia. 

Proporcional de tiempo variable (PWM): La modulación por ancho de pulsos PWM (pulsewidth modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

Proporcional (P): Un sistema de control proporcional es un tipo de sistema de control de realimentación lineal, donde la salida depende directamente del error. 28

 

Integral (I): El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional.

Derivativo (D): La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error. La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo corrigiéndolo  proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita e vita que el error se incremente.

Proporcional + Integral + Derivativo (PID): Un controlador PID (Proporcional + Integrativo + Derivativo) es un mecanismo de control genérico sobre una realimentación de lazo cerrado, ampliamente usado para el control de sistemas. El PID es un sistema al que le entra un error calculado a partir de la salida deseada menos la salida obtenida y su salida es utilizada como entrada en el sistema que quiere controlar. El controlador intenta minimizar el error ajustando la entrada del sistema. El controlador PID viene determinado por tres parámetros: el proporcional, el integral y el derivativo. Dependiendo de la modalidad del controlador alguno de estos valores puede ser 0,  por ejemplo un controlador co ntrolador Proporc Proporcional ional tendrá el integral y el derivativo der ivativo a 0 y un controlador contro lador PI solo el derivativo resulta 0, etc. Cada uno de estos parámetros influye en mayor medida sobre alguna característica de la salida, pero también influye sobre las demás.

Control reactivo: El control reactivo es una técnica en la que las actuaciones del control del vehículo se obtienen directamente de la percepción sensorial del entorno. En este caso, pueden contemplarse dos situaciones diferentes: - 

Acoplamiento directo entre los sensores externos y los actuadores, de forma que ante determinadas lecturas de los sensores se generan consignas a los actuadores de dirección y velocidad.

- 

Generación de maniobras cuya ejecución es necesario controlar.

Control Por Lógica Difusa: El control difuso es una técnica que se encuentra agrupada bajo el esquema de los sistemas expertos, y su popularidad se basa en la dificultad (o imposibilidad) de modelar algunos sistemas a través de ecuaciones matemáticas. Adicionalmente, su utilidad radica en que se puede aprovechar el conocimiento de un experto 29

 

sin necesidad de modelar matemáticamente un proceso, lo que lo hace atractivo en procesos de gran complejidad.

1.3.1.1 Sensores de distancia Sharp 2Y0A02 F 2Y El sensor de distancia sharp (Figura 19) es un

Figura 19: Sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y 

dispositivo que permite realizar mediciones de distancia mediante la reflexión de un rayo infrarrojo en el objeto a detectar. El sensor tiene una salida analógica que puede leerse mediante un

convertidor

analógico

digital

en

un

microcontrolador.

Fuente: http://www.sharpsma.com/

Tabla 9: Características del sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y Características Descripción Voltaje de alimentación 

DC 6 [V]

Corriente de funcionamiento 

33 [mA]

Señal de salida

Analógica (DC 1,8 1,8 –   –  2,3  2,3 [V])

Rango de medición[cm] 

 No tiene hoja hoja de datos datos

Rango de operación en temperatura 

-40 a 70 [°C]

Dimensiones [mm] 

44,5 × 18,9 × 21,6

Masa [g]

5

Frecuencia de trabajo

-

Funcionamiento de un sensor de distancia infrarrojo El sensor consta de un led infrarrojo de alta intensidad que apunta de manera perpendicular al sensor. Un dispositivo optoelectrónico (llamado PSD, Position Sensitive Device) mide entonces el ángulo con el que este rayo se refleja en el obstáculo (Figura 20).  

30

 

Fi ura 20: Funcionamiento Funcionamiento de de un sensor de distancia distancia infrarro infrarro o 

Fuente: Editado por Sergio A. Bellido P.

Módulo Ultrasónico HC-SR04  Figura 21: Módulo Ultrasónico HC-SR04 

El sensor de distancia ultrasónico HC-SR04 (Figura 21) cuyo funcionamiento básico se basa en la medida del tiempo transcurrido entre la emisión de un ultrasonido y la recepción del eco correspondiente al mismo. Algunos de los factores que influyen en el valor de la velocidad son la temperatura, presión de atmosférica, altitud y

Fuente: http://www.netzek.com/2013/12/hcsr04.html

humedad relativa.

Tabla 10: Características del sensor HC-SR04 Características

Descripción

Voltaje de alimentación 

DC 5 [V]

Corriente de funcionamiento 

15 [mA]

Señal de salida

Pulso TTL (Eco)

Rango de medición[cm] 

2 a 400

Rango de operación en temperatura 

0 a 70

Dimensiones [mm]

20 x 40 x 15

Masa [g]

9

Frecuencia de trabajo

40 [KHz]

Funcionamiento de un sensor de distancia ultrasónico Se suministra un pulso de 10[us] para iniciar el Trigger, luego el módulo envia un estallido 8 ciclos de ultrasonidos a 40 [KHz] y por último se tiene un eco que es la señal que rebota en un material. 31

 

Figura 22: Funcionamiento de un sensor de distancia ultrasónico  

Fuente: http://www.zonamaker.com/arduino/modulos-sensores-y-shields/ultrasonido-hc-sr04  

1.3.1.2 Módulos de temperatura y humedad Módulo DHT22  Figura 23: Módulo DHT22 

El DHT22 (Figura 23) es un sensor digital de temperatura y humedad de  bajo costo. Usa un sensor capacitivo de humedad y un termistor para las mediciones, provee una salida digital en el pin de datos (no se necesita una entrada análoga). Su uso es relativamente simple pero requiere una sincronización cuidadosa para las lecturas. La única desventaja del sensor es que solamente permite obtener una nueva lectura cada 2 segundos.

Fuente:datasheet DHT22

del

Tabla 11: Características del sensor DHT22 Características Voltaje de alimentación 

DC 3,3 –  3,3 –  6  6 [V]

Corriente de funcionamiento 

2,1 [mA]

Señal de salida

Digital

Rango de medición de humedad 

0 –  100  100 % HR

Rango de medida de temperatura 

-40 a 125 ºC

Precisión de Temperatura 

+/-0.2 ºC

Sensibilidad de humedad 

0,1 %RH

Repetitividad de humedad 

+/-1 %RH

Tiempo de respuesta [s] 

2

Dimensiones [mm]  Masa [g] 

14 x 18 x 5,5 2,4

Descripción

32

 

Módulo SHT15 El SHT15 (Figura 24) es un sensor compacto y fácil de usar de la

Figura 24: Módulo SHT15 

compañía Sensirión. El sensor de humedad y temperatura SHT15 está totalmente calibrado y ofrece alta precisión y excelente estabilidad a largo plazo. La tecnología digital CMOS integra dos sensores y circuitería de lectura en un solo chip. Fuente: http://www.sensirion.com

Tabla 12: Características del sensor STH15 Características

Descripción

Voltaje de alimentación 

DC 2,4-5,5 [V]

Corriente de funcionamiento 

550 [uA]

Señal de salida

Digital

Rango de medición de humedad 

0 –  100  100 % HR

Rango de medida de temperatura 

-40 a 120 [ºC]

Precisión de Temperatura 

+/- 0,3 [°C]

Sensibilidad de humedad 

0,1 % RH

Repetitividad de humedad 

+/-2 %RH

Tiempo de respuesta [s] 

3 [V] Se puede ajustar

Tiempo de calentamiento:

3 –  5  5 min

Tiempo de respuesta después del calentamiento: [s]

1

Temperaturaa de uso: Temperatur

-10 -10 –   –  50  50 [ºC]

Rango:

10-1000 [ppm]

Dimensiones [mm] 

35 x 20 x 11

Masa [g]

4,8

Funcionamiento del sensor MQ-7 Figura 28: Pin out del sensor MQ-7  

Este sensor está formado por un pequeño tubo cerámico de óxido de aluminio (Al2O3) y una capa sensible de dióxido de estaño (SnO2), el sensor MQ-7 (Figura 28) posee 6 pines, 4 pines para obtener señales y 2 pines para suministrar el voltaje de alimentación.  

Fuente:  https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biomet ric/MQ-7.pdf

1.3.1.4 Sensores de visión “Los sensores de visión se utilizan exitosamente con robots en m multitud ultitud de tareas como la determinación del patrón geométrico de los objetos, la reconstrucción de la geometría 3D, construcción de los mapas del ambiente para la navegación del robot entre otras. Los sistemas de visión proporcionan información que es difícil o imposible de obtener de otra manera. Su cobertura va desde unos cuantos milímetros hasta decenas de metros, con un ángulo angosto o amplio, dependiendo de las necesidades y el diseño del sistema” sistema ”3.

3

 Kumar, Subir. Introducción a la robótica [en línea]. McGRAW-HILL/INTERA McGRAW-HILL/INTERAMERICA MERICANA NA EDITORES, S.A.

DE C.V.: Mexico, 2010. 20 10. “Capitulo 4: Sistema de visión” [citado el 12 de marzo de 2015]. Disponible en:  en:   https://docs.google.com/file/d/0B https://docs.go ogle.com/file/d/0B9TsLZzbZ 9TsLZzbZBEYaTV1N BEYaTV1NnJQYXNkTU nJQYXNkTUk/edit?pli=1 k/edit?pli=1

35

 

Cámaras RS232 Son cámaras que usan el protocolo RS232 para su comunicación.

C328R Este módulo de cámara cámara de puerto serie, entregada por varias generaciones generaciones de MTEKVISION, tiene un diseño modular que transmite imágenes JPEG comprimidas. El tamaño de los  paquetes de transmisión puede ser configurado de 64 a 512 [Bytes]. El hardware del módulo C328R se encuentra breve descrito en la Figura 29, en la Tabla 14 sus características más importantes y en la Figura 30 su correspondiente diagrama de bloques. Figura 29: Descripción de hardware, módulo C328R

Fuente: http://www.aliexpress.com/item-img/JPEG-Color-Camera-Infrared-232-Serial-Port-Camera-Module/1680609388.html#, editada por: Hugo A. Quispe B. (Autor)

Tabla 14: Características y especificaciones módulo C328R Característica

Descripción

Resolución

QQVGA(160x120)/QVGA(320 QQVGA(160x120)/QVGA(320x240)/ x240)/ VGA (640x480)

Formato de imagen Baud Rate

JPEG 7200 a 115200

Detección automática de Baud Rate

9600 a 115200

Sensor de imagen

¼ „‟ CMOS OV7725  OV7725 

Sistema de señal

PAL/NTSC

Salida

RS232

Formato de imagen comprimida

JPEG

Temperaturaa de operación Temperatur

-10 a 60 [°C] (Máximo RH90%)

Temperaturaa de almacenamiento Temperatur

-20 a 70 [°C] (Máximo RH90%)

Voltaje de trabajo

5 [V]

Corriente de trabajo

~ 90 [mA]

Dimensiones [mm] Masa [g]

32 x 32,38 x 38 100

36

 

Figura 30: Diagrama de bloques, módulo C328R  

Fuente: Hugo A. Quispe B. (Autor)

Funcionamiento La cámara emplea un sensor de imagen OV7725 que es controlado por un DSP MV3018. La imagen capturada se comprime en formato JPEG estándar que lo realiza el uC STC11L08. La imagen comprimida comprimida está divi dividida dida en paquetes y m mediante ediante la orden de un comando es transmitida hacia un host. El tamaño de los paquetes puede diferenciarse de 64 a 512 [Bytes], según la configuración. En este módulo la la salida es por el uC STC11L08 con niveles lógicos lógicos de 2.8 [V]que es convertida a niveles lógicos de 3.3 [V] por un arreglo resistivo y por último es convertido a niveles lógicos RS232 mediante el adaptador SP202EEN. Finalmente la interfaz RS232 es conectado a un host que puede ser un pc, una placa Arduino u otro dispositivo. Este módulo de cámara soporta Baud Rates de 9600 a 115200 sin configuración  pero previa sincronización.

MV500NK Es una cámara serial de la casa MTKVISION, tiene un diseño modular que transmite imágenes en varios formatos. Tiene una salida de video CVBS que puede ser conectado directamente a un TV que disponga una entrada RCA. El hardware del módulo MV500NK está descrito brevemente en la Figura 31. Figura 31: Descripción de hardware, módulo MV500NK

Fuente: Hugo A. Quispe B. (Autor)  

37

 

Este módulo no cuenta con una hoja de datos oficial, pero es 99 % compatible con varios módulos como JPEG RS232 Camera 2M, VC0706 entre otros. Las características más sobresalientes se observa en la Tabla 15. Tabla 15: Características y especificaciones módulo MV500NK Característica Salida de Video Tamaño de imagen

Descripción CVBS 30 [f/s] QQCIF/QCIF/QQVGA CIF/QVGA/ VGA, QVGA

por

defecto

Formato de imagen

JPEG

Baud Rate

9600 a 115200 Baudios/s, 38400 por defecto

Sensor de imagen

¼ „‟ CMOS MT9V011  MT9V011 

Formato de imagen

PAL, 628x582; NTSC, 510x492; NTSC por defecto

Salida

RS232

Formato de imagen comprimida

JPEG

Temperaturaa de operación Temperatur

-20 a 60 [°C] (Máximo RH90%)

Temperatur a de almacenamiento Temperatura Voltaje de trabajo

-30 a 70 [°C] (Máximo RH90%) 4,8 [V] a 6,5 [V]

Corriente de trabajo

90 [mA] (sin empleo de led infrarrojo)

Dimensiones del PCB [mm]

32 x 32,38 x 38

Humedad

90 % no condensado

Masa [g]

110

Figura 32: Diagrama de bloques, módulo MV500NK  

Fuente: Hugo A. Quispe B. (Autor)

Funcionamiento La cámara emplea un sensor de imagen MT9V011 que es controlado por un DSP MV500NK. La imagen capturada se comprime en formato JPEG estándar que lo realiza el mismo DSP con la ayuda de la memoria EEPROM 24C16. La imagen comprimida puede ser o no dividida en  paquetes y mediante la orden de un comando es transmitida hacia un host. host . En este módulo la salida es por el mismo DSP con niveles lógicos de 2.8 [V] que es convertida a niveles lógicos 38

 

de 3.3 [V] por un arreglo resistivo y por último es convertido a niveles lógicos RS232 mediante el adaptador MAX3232. Finalmente la interfaz RS232 es conectada a un host que  puede ser un pc, una placa Arduino u otro dispositivo. Este módulo de cámara soporta Baud Rates de 9600 a 115200 previa configuración.

Cámaras web Cámara Web o Webcam es un dispositivo

Figura 33: Descripción general de una cámara web  

 pequeño de bajo costo que captura y transmite imágenes a alta velocidad (USB 2.0).La descripción

y

características

generales

se

muestran en la Figura 33.

Fuente: Hugo A. Quispe B. (Autor)

Genius videocam express V2 Webcam de propósito (Figura 34) general, empleada para video conferencias. Cuyas características se muestra en la Tabla 16.

Figura 34: Webcam Genius VideoCAM Express V2 

Fuente: Hugo A. Quispe B. (Autor)

Tabla 16: Características webcam Genius VideoCAM Express V2 Característica

Descripción

Resolución

QQVGA/QVGA

Formato de imagen

JPEG

Resolución

3 [Mp]

Peso total [g]

150

Sensor de imagen

CMOS

Sistema de señal

PAL/NTSC

Salida

USB

Formato de imagen comprimida

JPEG

Voltaje de trabajo

5 [V]

Corriente de trabajo

1

Velocidad de giro sin carga

60º a 0.1 [s]

Interfaz

Analógica

Sensores de lectura

Ninguna

4.  Súper Servomotores Los módulos Dynamixel AX son súper servomotores (Figura 69), poseen características

necesarias

en

Figura 69: Módulos Dynamixel 

la

implementación de desarrollo de un  proyecto donde se exige alta precisión,  permite la rotación continua, y tiene un

Fuente: http://robosavvy.com/RoboSavvyPages/Specification

microcontrolador que entiende varios comandos, la mayoría de los cuales fijan o leen  parámetros que definen su comportamiento. El típico servo sólo entiende la orden "ángulo objetivo" (dada por una señal PWM), pero los AX permiten utilizarlos como un actuador  profesional con sensores. En otras palabras, los AX rec reciben iben instrucciones en lugar de una señal PWM. Cada servo AX posee un pequeño controlador que se encarga de la ejecución de las órdenes dadas, de la recolección de datos de los sensores y de la comunicación al exterior. La información leída de los sensores puede ser la posición actual, la corriente consumida, o la variación de la temperatura del servo con la carga aplicada en el mismo. La interfaz de cada servo es de tipo serial TTL, siendo este el medio por el cual se le mandan las ordenes y se obtiene la información de los sensores.

67

 

Adicionalmente los servomotores Dynamixel AX se pueden conectar uno tras otro, como en una topología de bus, formando una red de servomotores, donde cada servomotor tiene su  propio identificador. Figura 70: CM-5 

CM-5 (Figura 70) es el cerebro de la plataforma Bioloid que controla a éstos servomotores y está basado en el microcontrolador

Atmel

ATMega128.

Para

este

microcontrolador existen compiladores en C, lo que facilita la  programación, el módulo cuenta con un puerto de comunicación RS-232 por el cual es posible la comunicación

Fuente: http://robosavvy.com

con la computadora.

Servomotor dynamixel AX-12A Figura 71: Servomotor Dynamixel AX-12A 

El servomotor Dynamixel AX-12A (Figura 71) tiene un microcontrolador que entiende 50 comandos, la mayoría de los cuales fijan o leen parámetros que definen su comportamiento. Las características de este módulo se observa en la Tabla 33.

Tabla 33: Características del servomotor AX-12A Característica

Descripción

Voltaje de operación

9 –  12  12 [V]

Consumo de corriente Máximo torque

< 1.5 [A] 1,5 [N*m]

Dimensiones [mm]

32x50x40

Masa [g]

54,6

Engranaje

Plástico

Angulo de operación [º]

0 –  300  300

Precisión [º]

>0,29

Velocidad de giro sin carga

59 [rpm]

Interfaz

Serial TTL ~ 1 [Mbps]

Sensores de lectura

Posición, Temperatura, Carga, Entrada de voltaje.

68

 

5.  Motores Paso A Paso  Son motores (Figura 72) que se mueven por pasos, un paso a

Figura 72: Motor paso a paso 

la vez por cada pulso que se le aplica. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1,8°, es decir, que se necesita 4 pasos en el primer caso (90°) y 200  para el segundo segu ndo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres, si una o

Fuente: www.robotics.com

más de sus bobinas está energizada, el motor está enclavado en la posición correspondiente y  por el contrario queda completamente co mpletamente li libre bre si no circula circu la corriente por ninguna de sus bobinas

Componentes de un motor PAP Figura 73: Rotor 

Básicamente esos motores están constituidos normalmente por un rotor (Figura 73) sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas

Fuente:   http://todorobot.com.ar/wpFuente:

excitadoras bobinadas en su estator.

Figura 74: Estator 

content/uploads/2014/09/shaft.jpg

Las bobinas son parte del estator (Figura 74) y el rotor es un imán  permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber d eber ser externamente manejada por un controlador. 

Tipos de motor PAP Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:

http://todorobot.com.ar/wpcontent/uploads/2014/09/sh aft.jpg 

Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (Figura 75a). Requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento.

Unipolar:  Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (Figura 75b). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.

69

 

Figura 75: Motor PAP: a) Bipolar b) Unipolar

Fuente: http://todorobot.com.ar/wp-content/uploads/2014/09/shaft.jpg

Algunas características generales de los motores PAP se muestra en la Tabla 34. Tabla 34: Características generales de los motores PAP Característica

Descripción

Control

Impulsos eléctricos

Precisión

Sencilla (solo es excitación de bobinas)

Torque

Alto

Velocidad

Lenta

Consumo energético energéti co

Alto (posee varios bobinados)

1.3.4 Tipos de fuentes eléctricas 1.3.4.1 Baterías Las baterías o acumuladores son dispositivos capaces de acumular energía eléctrica a través de  procesos de carácter electroquímicos.

Clasificación Baterías de plomo-ácido: Este tipo de baterías están conformadas por dos electrodos de plomo, y suele utilizarse en los automóviles.  Con respecto a su funcionamiento, en el proceso de carga, el sulfato de plomo se convierte en plomo metal en el cátodo o polo negativo. Por otra parte, en el polo  positivo o ánodo se produce produ ce la formación de óxido de plomo. En el proceso de descarga, los procesos mencionados anteriormente se llevan a cabo de forma invertida. De esta manera el óxido de plomo se reduce a sulfato de plomo, y en el ánodo el plomo comienza a oxidarse, convirtiéndose en sulfato de plomo. Sin embargo, este tipo de transformación no puede ser repetido de manera indefinida. Luego de un tiempo, el sulfato de plomo forma cristales, y no es posible realizar el

70

 

 proceso de manera reversible. r eversible. Es en ese momento cuando la batería está sulfatada y ya no es posible volver a emplearla.

Baterías de níquel-cadmio (NI-CD):  Esta clase de batería funciona a partir de un ánodo de cadmio y un cátodo compuesto por hidróxido de níquel. Por su parte, el electrolito se conforma de hidróxido de potasio. Pueden ser recargadas una vez gastadas, aunque disponen de poca capacidad.

Baterías De níquel-hidruro metálico (NI-MH): Emplean un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo compuesto por una aleación de hidruro metálico.Son reacias al contacto con las bajas temperaturas, disminuyendo en gran parte su eficacia.

Baterías de iones de litio (LI-ION): Dispone de un ánodo de grafito, mientras que el cátodo funciona a partir de óxido de cobalto, oxido de manganeso o trifilina. No  permiten la descarga y son capaces de alcanzar potencias eelevadas. levadas. Sin embargo se ven afectadas por los cambios de temperatura.

Baterías de polímero de litio (LIPO):   cuentan con características análogas a las  baterías de iones de litio, aunque su densidad es mayor. Son de tamaño reducido por lo que suelen utilizarse en pequeños equipos.

1.3.4.2 Fuente de poder Cuando se habla de fuente de poder, (o, en ocasiones,

Figura 76: Fuente de Poder 

de fuente de alimentación y fuente de energía), se hace referencia al sistema que otorga la electricidad imprescindible para alimentar a equipos como ordenadores o computadoras. Generalmente, en las PC de escritorio, la ya citada fuente de poder se localiza en la parte posterior del gabinete y es

Fuente: http://definicion.de/wpcontent/uploads/2009/06/fuentedepoder.jpg

complementa da por un ventilador que impide que el dispositivo se recaliente (Figura 76). La fuente de poder, por lo tanto, puede describirse como una fuente de tipo eléctrico que logra transmitir corriente eléctrica por la generación de una diferencia de potencial entre sus bornes. Para que una fuente funcione debe estar conectada a una línea de corriente eléctrica AC.

71

 

1.4 INFORMÁTICA 1.4.1 Sistemas operativos Se puede definir un sistema operativo de dos formas: Según sus procedimientos: Un S.O. es un conjunto de programas, rutinas y procedimientos manuales y automáticos que administran los recursos de un sistema de cómputo Según sus funciones: Un programa o conjunto de programas, si cumple las funciones: -

Inicialización de la máquina.

-

Servir de interfase hombre-máquina (máquina extendida).

-

Administración de recursos del sistema.

1.4.1.1 Clasificación de los sistemas operativos Se pueden clasificar en dos:

Según la cantidad de usuarios que soporta  S.O. Mono-Usuario: Son sistemas que se basan en máquinas virtuales que admiten a un solo

usuario, el cual utiliza todos los recursos sin compartirlos con otros. Este es el caso de las computadoras personales (PC) o estaciones de trabajos específicas (Workstation). El énfasis de su diseño está puesto en una interfase amigable entre el usuario y el equipo, un lenguaje de control sencillo y periféricos.  S.O. Multi-Usuarios: Los S.O. Multiusuarios son aquellos que aceptan más de un usuario

trabajando simultáneamente con el computador.

Según las aplicaciones que ejecutan S.O. de propósito general Están diseñados para mantener un flujo constante de trabajo (Work-flow) en forma de tareas a ser ejecutadas por la máquina. Debido al gran número (y diversidad) de trabajos, el Sistema debe proveer soportes utilitarios y facilidades para soportar una gran cantidad de unidades  periféricas. 

72

 

Se clasifican en Sistemas Batch y Sistemas de accesos múltiples (Multiaccess). Los Sistemas Batch se caracterizan por el hecho de que una vez introducida una tarea en la máquina, el usuario no mantiene contacto con la misma hasta que concluye su ejecución. Hay dos modos de trabajar proponiendo las tareas al sistema: T ravé és D el Op Ope erad rado or :  El operador recibe el trabajo y lo pone a ejecutar. Al finalizar -  A Trav

la ejecución, devuelve los resultados al usuario. -

R emot ote e JJob ob E ntry:  Permite ordenar ejecución de trabajos mediante dispositivos E/S.

Los Sistemas Multiaccess el usuario puede iniciar, vigilar, controlar o suspender la ejecución de su programa desde cualquier terminal del sistema.

S.O. de propósito especial Están diseñados para aplicaciones y/o arquitecturas especiales. Se clasifican en: Tiempo real, Fault Tolerance (Tolerancia de Fallas) y Virtuales.  

Características de los S.O. de tiempo real: -

Usados como dispositivos de control de aplicaciones que deben realizarse en un tiempo determinado.

-

Realiza las respuestas a eventos en tiempos preestablecidos.

-

Sus parámetros más importantes son los tiempos de espera, procesamiento y almacenamiento.

-

Pueden tener un tiempo de respuesta crítico (Ej., control de procesos industriales) o no crítico (Ej., reserva de pasajes).

Características de los S.O. con tolerancia de fallas: -

Usado en aplicaciones donde se debe proveer un servicio continuo o cuyo mantenimiento es dificultoso o muy costoso.

73

 

-

Detecta y corrige errores, y recupera el sistema habilitando reemplazos de los componentes en mal funcionamiento o vuelve atrás operaciones que motivan pérdidas de datos.

Características de los S.O. virtuales: -

Especialmente diseñados para ejecutar varios S.O. (o distintas versiones de uno mismo) concurrentemente en una máquina creando la ilusión de varias máquinas virtuales idénticas.

-

Todos los S.O. trabajan en modo usuario respecto S.O. virtual, pero están en modo  privilegiado con respecto a los programas pro gramas que corren bajo ese S.O.

1.4.1.2 Sistemas operativos más usados Windows:   Es un sistema operativo para computadoras, es propiedad de Microsoft y de su

fundador Bill Gates, es uno de los los más utilizados en todo el mundo. Ubuntu:  Es un sistema operativo basado en GNU/Linux en GNU/Linux que es es software  software libre.  libre. 

1.4.2 Software y llenguajes enguajes de pr programación ogramación  X-CTU  X-C TU::  Es una aplicación multiplataforma libre compatible con Windows y MacOS, diseñado

 para permitir a los desarrolladores interactuar con los módulos Digi RF a través de una interfaz gráfica fácil de usar. Incluye nuevas herramientas que hacen más fácil de configurar y  probar los módulos de RF XBee, incluso tiene herramientas para probar el rango entre dos módulos de RF de la misma red a una distancia determinada.  Matla  Mat lab b:   Es un lenguaje de programación, que tiene un conjunto de reglas para escribir

 programas de ordenador. ordenador . Matlab está orientado or ientado al Cálculo Numérico (de ahí su nombre Matrix Laboratory). Desde un punto de vista estético y práctico Matlab es un buen lenguaje de  programación para realizar rea lizar programas breves y simples. Proteus:   Proteus es una una compilación  compilación de programas de programas de diseño y simulación electrónica simulación electrónica

compatible con Windows y MacOS, desarrollado por  Labcenter  Labcenter Electronics. En Electronics. En este programa se puede armar un circuito, simularlo con todas las herramientas electrónicas (multímetros, osciloscopios, fuentes de voltaje, fuentes de corriente, generadores de señal, etc), crear su

74

 

 placa PCB (placa de circuito impreso), y además poder ver la placa en 3D con todos sus componentes.  Ar duino I D E :  Es el software oficial de Arduino compatible con Windows, MacOS y Linux el

cual trabaja en un IDE significa “Integrated Development Environment” (Entorno de Desarrollo Integrado). Este software permite conectar el Arduino a la pc mediante puerto serial y poder modificar el código de su memoria flash, al ser open source permite también modificar su firmware. Processing:   Es un lenguaje de programación de código abierto compatible con Windows,

MacOS y Linux; está basado en java y está orientado para el desarrollo de interfases,  procesamiento digital de imágenes y voz. V i sual sual C C# #:   Visual C# es un nuevo lenguaje de programación diseñado para crear un amplio

número de aplicaciones empresariales que se ejecutan en .NET Framework, utiliza plantillas de proyecto, diseñadores, páginas de propiedades, asistentes de código, un modelo de objetos y otras características del entorno de desarrollo. Python:  Python es un lenguaje de scripting independiente de plataforma y orientado a objetos,

 preparado para realizar cualquier tipo de pro programa, grama, desde aplicaciones Windows a servidores de red o incluso páginas web. KScan3D:   KScan3D es un software de modelamiento 3D especialmente para los sensores

Kinect o Xtion, con el que se puede escanear, editar, procesar y exportar. Convierte los datos de color y profundidad capturados por los sensores en mallas 3D, mediante la captura de datos desde múltiples ángulos, se puede crear una malla completa de 360 grados. ReconstructMeQt:   ReconstructMe SDK es un software para llevar a cabo la reconstrucción

3D en tiempo real. Se dirige a aplicaciones sencillas, así como los procesos de reconstrucción de sensores múltiples complejos. Blender:   Blender es un programa informático multiplataforma, dedicado especialmente al

modelado, iluminación, renderizado, animación y creación de gráficos tridimensionales.

75

 

Unity 3D:   Unity es un motor de videojuego multiplataforma creado por Unity Technologies,

 permite crear juegos para Windows, OS X, L Linux, inux, Xbox 360, PlayStation 3, Playstation Vita, Wii, Wii U, iPad, iPhone, Android y Windows Phone.  Maxon  Maxo n Ci Cine nem ma 4D: Maxon Cinema 4D es un software de creación de gráficos y animación

3D desarrollado originariamente para Commodore Amiga por la compañía alemana Maxon, y  portado posteriormente a plataformas Windows y Macintosh (OS 9 y OS X).  SolidWo  So lidWork rks: s: Es un software CAD (diseño asistido por computadora) para modelado mecánico

en 3D, permite modelar piezas y conjuntos y extraer de ellos tanto planos técnicos como otro tipo de información necesaria para la producción.

1.4.3 Procesamiento digital de imágenes (PDI) Es el procesamiento, entendiendo este como el almacenamiento, tx y rx de información de imágenes digitales. “El interés en el PDI se basa esencialmente en dos aspectos: en mejorar la información contenida en una imagen para la interpretación humana y en el tratamiento de los datos de una escena, todo esto mediante un conjunto de técnicas de procesamiento ”7.

1.4.3.1 Proceso de filtrado Es el conjunto de técnicas cuyo objetivo es obtener, a partir de una imagen origen, otra final cuyo resultado sea más adecuado para una aplicación específica. Los principales objetivos que se persiguen con la aplicación de filtros son: -

Suavizar la imagen.

-

Reducir la cantidad de variaciones de intensidad entre pixeles vecinos.

-

Eliminar ruido.

-

Eliminar aquellos pixeles cuyo nivel de intensidad es muy diferente al de sus vecinos y cuyo origen puede estar tanto en el proceso de adquisición de la imagen como en la transmisión.

7 Garcia,

Complementar bordes.

Victor Manuel. Introducción [en línea]. Introducción al procesamiento digital de imágenes, 2008, v. 1, n°1 [citado el 12 de marzo de 2015]. Disponible en: http://es.slideshare.net/IDVicMan/introduccion-al procesamiento-digital-de-imagenes  procesamiento-digi tal-de-imagenes

76

 

-

Destacar los bordes que se localizan en una imagen.

-

Detectar bordes.

-

Detectar los pixeles donde se produce un cambio brusco en la función intensidad.

Por tanto, se considera los filtros como operaciones que se aplican a los pixeles de una imagen digital para optimizarla. Existen muchas aplicaciones, tanto libres como propietarias, destinadas a este fin: Matlab, Processing, Python, C# entre otros.

1.4.3.2 Reconstrucción y modelado “Es un conjunto de técnicas que se aplican generalmente a nube de puntos a partir de muestras geométricas en la superficie de objetos con el objetivo de construir modelos digitales tridimensionales para facilitar facilitar la búsqueda de información” 8. Las nubes de puntos están destinadas a crear superficies y sólidos, por lo que se tiene que llevar a cabo modelamientos.

Modelos de malla de polígonos Los modelos poligonales, también llamados modelos de malla, son una representación  poligonal en la que la superficie es modelada como muchas pequeñas superficies planas. La reconstrucción de modelos poligonales implica encontrar y conectar los puntos adyacentes mediante líneas rectas con el fin de crear una superficie continua. Existen muchas aplicaciones, tanto libres como propietarias, destinadas a este fin: MeshLab, Cyclone, PointCloud, Rhino entre otros. Los modelos de superficie implican el uso de un conjunto de pequeñas superficies que unidas entre sí modelan el objeto. Estas superficies tienden a sser er más fáciles de manipularlas por lo que se pueden realizar varias operaciones y exportarlas a un formato CAD. La representación fundamental de un objeto digitalizado es el modelo CAD, totalmente editable. Estos modelos CAD no describen simplemente el envoltorio o la forma del objeto, sino también incorporan el diseño para fabricarlos. 8

  Calvo, Andrés, Bejarano, Arley y Quintero, Edwin. Introducción Introducción [en línea]. Procesamiento Procesamiento de nubes de puntos pun tos

 por medio de la librería PCL, 2012, v. 1, n°1 [citado el 12 de marzo de 2015]. Disponible en: dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/4271775.pdf  

77

 

Capítulo 2 Ingeniería Del Proyecto

 

 

CAPÍTULO 2 INGENIERÍA DEL PROYECTO   En este capítulo se realiza un análisis para el diseño del VRE (Vehículo Robot Explorador)  para poder enfrentarse a las condiciones donde operará. Para comprender con mayor facilidad este Capítulo se lo divide en tres partes: Sistema mecánico, sistema electrónico y sistema informático, en donde en cada sistema se compara y elige los dispositivos y/o mecanismos neceserios para su implementación. El VRE según su arquitectura resulta un robot móvil, según su evolución es de 3ra generación, según su aplicación es de seguridad y espacio y según su autonomía es de modo compartido.

2.1 SISTEMA MECÁNICO En este sistema se analiza la elección del tipo de suspensión, locomoción y cinemática que del VRE. Por otro lado, se analiza la elección del método a emplearse para el cálculo de la CD y CI del brazo robot.

2.1.1 Sistema de suspensión del vehículo robot explorador En la Tabla 35, se describen y se comparan los sistemas de suspensión Rocker-Bogie, CRAB8 y DFBL. Tabla 35: Características y descripción del sistema de suspensión de suspensión Característica

Sistema de suspensión ROCKER BOGIE

 Nº de ruedas   Configuración geométrica de las ruedas Chasis 

Mecanismo

Subsistema de dirección Subsistema de tracción

CRAB-8 

DFBL

6

8

Tres ruedas en cada lado

2 pares de bogies por lado

Un diferencial y dos pivotes se unen al cuerpo.

8 2 pares de bogies articulados  por lado.

4 puntos de apoyo que se

4 puntos de apoyo que se

unen al cuerpo.

unen al cuerpo.

Gran estabilidad y adaptabilidad a terrenos

Resorte

garantiza

El resorte y la articulación

irregulares manteniendo siempre las ruedas en

contacto de los bogies con el

garantizan al bogie contacto

contacto con la superficie.

suelo.

con el suelo.

4 motores dispuestos en las ruedas de las

4 motores dispuestos en las

4 motores dispuestos en las

esquinas.

ruedas de las esquinas.

ruedas de las esquinas.

8 ruedas controladas por

8 ruedas controladas por

PWM

PWM

6 ruedas controladas por PWM

que

78

 

La superficie de las galerías del Cerro Rico de Potosí por lo general son de granular fino (Figura 77 y 78), pero ante derrumbes pequeños existe llaa posibilidad de encontrar en el trayecto rocas de diferentes tamaños. Figura 78: Superficie de las galerías del Cerro Rico de

Figura 77: Superficie de la galeria San Luis  

Potosí  

Según lo indicado en la Tabla 35, el sistema dispone de un diferencial mecánico que mantiene siempre todas las las ruedas en contacto ccon on la superficie, además de tener mayor estabilidad estabilidad y adaptabilidad a terrenos iirregulares, rregulares, es el sistema Rocker-Bogie.

2.1.2 Configuración de ruedas Las ruedas son las encargadas de desplazar al VRE, en el Capítulo 1 se indica dos tipos de configuraciones por ser las más conocidas, las cuales se emplean en el sistema de locomoción Rocker-Bogie.

2.1.3 Locomoción del vehículo robot explorador Según lo expuesto en el Capítulo 1, las configuraciones primitivas son la Síncrona, Diferencial, Triciclo y Ackerman. En la Tabla 36 se analizan las ventajas y desventajas que se  presentan.

79

 

Tabla 36: Ventajas y desventajas de las configuraciones Diferencial, Triciclo y Ackerman. CONFIGURACION

Diferencial

Triciclo

Ackerman

VENTAJAS

DESVENTAJAS Las ruedas de tracción no pueden ir a máxima velocidad siempre, en las curvas una de ellas (la interior a la curva) debe frenar o incluso invertir su sentido para poder girar el robot. El robot puede girar sobre su Para asegurarse el movimiento rectilíneo se debe comprobar  propio eje (el (el punto medio medio entre entre que las dos ruedas vayan siempre a la misma las ruedas de tracción), lo que le da velocidad.Existen problemas de estabilidad lo que da pie a una mejor respuesta ante curvas  poner una tercera tercera rueda (loca), sin embargo esto puede puede seguir cerradas. dando problemas (depende de la posición del centro de gravedad). Si se pone una cuarta rueda (loca) gana estabilidad  pero pueden perder contacto contacto las ruedas ruedas de tracción tracción (dependiendo de las irregularidades de la pista). Las ruedas de tracción pueden ir a máxima velocidad, siempre que el El radio de giro del robot no es muy grande, por lo que se ha radio de giro de la pista sea lo de reducir la velocidad antes de entrar en una curva. suficientemente grande. Tiene facilidad para ir recto. Las ruedas de tracción pueden ir a máxima velocidad, siempre que el El radio de giro del coche no es muy pequeño, por lo que se ha radio de giro de la pista sea lo de reducir la velocidad antes de entrar en una curva. suficientemente grande. Buena estabilidad.

Según la Tabla 36, cada configuración tiene sus fortalezas y debilidades, la configuración  primitiva que más se aproxima al sistema de suspensión elegido es la de Ackerman, cuyos modelos matemáticos son adaptados al sistema de locomoción Rocker-Bogie.

2.1.4 Cinemática directa del brazo robot Esta cinemática es para hallar el espacio de trabajo por donde se desplazará el brazo robot, la resolución de este problema no exige dificultad matemática para hallar las variables de  posición, por lo que en la Tabla 37, se comparan solo dos características. Tabla 37: Tabla comparativa de métodos de resolución de CD respecto a la formulación Característica Formulación Procesamiento

Métodos de resolución al problema de LA CD Algebraico/Geométrico Matrices de Denavit-Hartenberg En base a operación algebraica y geométrica En base a matrices Rápido Rápido

Según lo indicado en la Tabla 37 los dos métodos son ideales para resolver el problema de la CD, se emplea el método Algebraico/Geométrico por ser el más rápido de obtener las ecuaciones.

80

 

2.1.5 Cinemática inversa del brazo robot Esta cinemática sirve para hallar los ángulos que orientan el efector final (extremo del brazo robot), para ello existen varios métodos, unos más complejos que otros, en la Tabla 38 se comparan dos características importantes. Tabla 38: Tabla comparativa de métodos de resolución de C CII

Característica

Algebraico/Geo métrico

Formulación

Sencilla hasta dos grados de libertad.

Procesamiento

Rápido

Metodos de resolucion al problema de la CI Matrices de Desacoplo Métodos DenavitCinemático Numéricos Hartenberg Sencilla, pero solo Sencilla, Inversa de se emplea para el  planteam  planteamiento iento matrices efector final. de ecuaciones Lenta (por la Lenta, si no se Rápido convergencia) emplea un DSP.

Lógica Difusa Conjuntos difusos, Reglas y épocas de entrenamiento Rápida

Según lo indicado en la Tabla 38, los métodos más rápidos de formular y que tienen un  procesamiento rápido son el Algebraico/Geométrico combinado con el de Desacoplo cinemático para el efector final. Estos métodos son los elegidos por lo que no se necesita mucha precisión para desplazar la instrumentación instalada en el efector final.

2.1.6 Materiales de construcción Uno de los atributos importantes del VRE es el tipo de material a emplearse para la construcción de la estructura, en la Tabla 39 se diferencias varios materiales para el análisis de selección. Tabla 39: Materiales de construcción estructural Material

Densidad [g/cm³]

Punto de Fusión [°C]

Conducción

Aluminio

2.7

600

Eléctri Eléctrica ca y térmica

Fibra de carbono

1.75

3800

Eléctri Eléctrica ca

Fibra de vidrio

1.6

1250

Ninguna

Plásticos

1.0 –  1.24 1.0 – 

160 -215

Ninguna

Según lo analizado en la Tabla 39 el material más liviano es la fibra de vidrio, pese a tener esa ventaja se necesita tener moldes para crear la pieza, La fibra de carbono soporta más temperatura que las demás, pero su precio es elevado; el plástico es buena opción, pero diseñar

81

 

una pieza requiere una impresora 3D más rollo de plástico que resulta costoso; la mejor opción es emplear aluminio por ser el más fácil de encontrar y tiene un precio bajo.

2.2 SISTEMA ELECTRÓNICO En este sistema se analizará y eligira los sensores, las plataformas de desarrollo, la microcomputadora y el módulo de radio frecuencia que empleará el vehículo robot.

2.2.1 Variables que se van a medir Para poder hacer la elección correcta de los sensores, hay que definir correctamente los  parámetros a medir, entonces los siguientes aspectos se deben monitorear: -

El control semiautónomo del VRE: Para evitar que el VRE choque con las paredes de las galerías se usa sensores infrarrojos que permiten la corrección de la dirección del VRE, también evitan que este caiga en hoyos profundos, haciendo una parada de emergencia en caso el robot se encuentre con un hoyo que puede dañar la estructura del VRE.

-

La exploración del estado ambiental:  El estado ambiental de la galería es un factor muy importante para determinar la vida de los soportes (kallapus), su principal factor de deterioro es la humedad y la temperatura, por esto se necesita un sensor de humedad y otro de temperatura. Además uno de los gases más comunes en las galerías es el monóxido de carbono, para conocer si existe dicho gas en la galería se usa un sensor de CO.

-

Para la exploración del estado estructural: El estado estructural es otro factor muy importante en cualquier galería, pues tener una imagen de esta permite a ingenieros mineros analizar su estructura, para lograr ello se usa cámaras y un sensor de escaneo 3D que permite, reconstruir la galería en la computadora. 

2.2.1.1 Comparación de sensores para el control semiautónomo El VRE trabaja en el modo compartido, siendo este un 3er grado de autonomía puede hacer una evasión automática de obstáculos realizando maniobras pre-configuradas a través de sensores infrarrojos para medir distancia. Estos permiten conocer el entorno en el que se

82

 

desplaza para evitar que el VRE choque con las paredes de la galería o peor aún caiga en un agujero. Es necesario que el VRE cuente con 2 sensores infrarrojos, dos de estos están en los costados y el kinect en la punta que tiene una inclinación hacia el suelo. El sensor que se usa es el Sharp 2Y0A02 F 2Y que puede medir hasta un rango de 80 [cm] a partir de 20 [cm], este sensor es el único disponible en el comercio del país para poder medir esa distancia. No se utilizan sensores ultrasónicos para este propósito debido a que la respuesta de un ultrasónico requiere más procesamiento y la velocidad del sonido es menor a la velocidad de la luz. El sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y no tiene hoja de datos, por lo tanto es necesario sacar su curva característica de la salida de voltaje del sensor respecto a la distancia, para poder tener mayor  precisión el experimento físico se realiza r ealiza 5 veces a distinta distancia. Tabla 40: Medidas de voltaje del sensor Sharp a distancias determinadas Distancia [cm]

Medida 1 Voltaje [V]

Medida 2 Voltaje Medida 3 Voltaje [V] [V]

Medida 4 Voltaje [V]

Medida 5 Voltaje [V]

Promedio [V]

0

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

5

1,54

1,56

1,56

1,56

1,56

1,556

10

2,04

2,13

2,16

2

2,02

2,07

20

2,45

2,27

2,38

2,47

2,48

2,41

30

1,92

1,51

2

1,98

1,98

1,878

40

1,41

1,14

1,46

1,54

1,56

1,422

50

1,09

0,8

1,26

1,26

1,27

1,136

60

0,97

0,72

0,86

1,07

1,09

0,942

70

0,86

0,55

0,9

0,96

0,97

0,848

80

0,82

0,57

0,94

0,91

0,89

0,826

90

0,8

0,63

1,06

0,9

0,85

0,848

100

0,84

0,71

0,9

0,93

0,86

0,848

110

0,89

0,72

0,8

0,98

0,88

0,854

120

0,98

0,8

0 0,84 ,84

1

0,91

0,906

De la Tabla 40 se obtiene una gráfica (Figura 79) donde se observa que el sensor puede ser calibrado para trabajar de 20 a 80[cm], a partir de 80 [cm] el valor del voltaje no tiene relación. De esta gráfica se obtiene la ecuación de la recta para luego usarla en el código de  programación.

83

 

Figura 79: Respuesta de Voltaje del sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y respecto a la Distancia 3 Respuest a de Voltaje del sensor

2,5 2

Sharp respecto a la Distancia

1,5 y = -0,0065x + 1,547

1 0,5 0 0

20

40

60

80

100

120

140

Para tener una mejor precisión en la curva se halla la ecuación polinómica entre el rango que se va a utilizar, es decir, de 20 a 80 cm. Figura 80: Segmento usado de la respuesta de Voltaje del sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y respecto a la Distancia 3 2,5 2 1,5 y = 0,0005x2 - 0,0801x + 3,7899 1

Respuest a de Voltaje del sensor Sharp respecto a la Distancia

0,5 0 0

20

40

60

80

100

Como se observa en la ecuación de la gráfica se despeja x que representa la distancia, para esto se usa los siguientes comandos en matlab: >> syms x y >> solve('0.0005*x^2-0.0801*x+3.7899-y',x) Estos comandos dan dos soluciones para x, estas son: (1) 1000.0*(0.002*y - 0.00116379)^(1/2) + 80.1 (2) 80.1 - 1000.0*(0.002*y - 0.00116379)^(1/2)

84

 

La ecuación que se usa en el código que calcula la distancia del sensor Sharp 2Y0A02 F 2Y es la (2).

2.2.1.2 Comparación de sensores para la exploración ambiental Módulos de temperatura y humedad Para que los sensores tengan un menor impacto en el consumo de energía del VRE, se emplea un módulo que puede medir la temperatura y la humedad en un solo dispositivo. Como se observa en la Tabla 41 se hace una comparación entre el módulo DHT22 y el SHT15. Tabla 41: Comparación de módulos de temperatura y humedad Módulo de temperatura y humedad Voltaje de alimentación Corriente de funcionamiento Señal de salida Rango de medida de humedad Rango de medida de temperatura [ºC] Precisión de Temperatura [ºC] Repetitividad de humedad Tiempo de respuesta [s]

DHT22 3.3 3.3 –   –  6 [V] 2.1 [mA] Digital 0 –  100% RH -40 -40 –   –  125 0.2 1% RH 2

SHT15 2.4-5.5 [V] 550 [uA] Digital 0 –  100%  100% RH -40 -40 –   –  120  120 0.3 2% RH 4

Si bien el módulo SHT15 tiene un bajo consumo de potencia respecto al DHT22, el DHT22 tiene una respuesta más rápida, mayor precisión en la medición de temperatura y un costo cuatro veces menor al SHT15, por lo tanto el módulo DHT22 es el utilizado en el VRE, cuyas especificaciones detalladas se encuentran en Anexos B.1.

Sensor de monóxido de carbono Debido a que los sensores de gases son muy costosos y poco accesibles se utiliza el sensor de CO MQ-7, este es el único sensor disponible en las tiendas del país. El sensor MQ-7 (hoja de datos Anexo B.2) puede detectar concentraciones de gas en un rango dentro de las 100 hasta las 1000 [ppm] (ppm= partículas por millón).

85

 

2.2.1.3 Comparación de sensores para la exploración estructural El VRE dispone de un sistema de visión que proporciona información del medio que lo rodea, captura imágenes 2D y 3D desde diferentes ángulos. Su cobertura va desde unos cuantos milímetros hasta decenas de metros, con un ángulo angosto o amplio, dependiendo de las necesidades y el diseño del sistema. A continuación se analiza las cámaras en cuanto a su velocidad y protocolo de comunicación.

Cámaras RS232 En la Tabla 42 se muestran las comparaciones de los módulos C328R y el MV500NK. Tabla 42: Comparaciones módulo C328R y MN500NK Característica

MV500NK QQCIF/QCIF/QQVGA CIF/QVGA/ VGA, QVGA JPEG 9600 a 115200 No dispone ¼ „‟ CMOS MT9V011  MT9V011  PAL, 628x582; NTSC, 510x492; NTSC RS232 JPEG

Voltaje de trabajo Corriente de trabajo

C328R QQVGA/QVGA/ VGA JPEG 7200 a 115200 9600 a 115200 ¼ „‟ CMOS OV7725  OV7725  PAL/NTSC RS232 JPEG -10°C a 60°C (Máximo RH90%) -20°C a 70°C (Máximo RH90%) 5 [V] ~ 90 [mA]

Dimensiones [mm] Masa [g] Humedad

32*32, 38*38 100 No dispone

32*32, 38*38 110 90% no condensado

Resolución Formato de imagen Baud Rate Detección automática de Baud Rate Sensor de imagen Sistema de señal Salida Formato de imagen comprimida Temperatura de operación Temperatura de almacenamiento

-20°C a 60°C (Máximo RH90%) -30°C a 70°C (Máximo RH90%) 4.8 [V] a 6.5 [V] 90 [mA] (sin empleo de led infrarrojo)

El VRE debe trabajar en ambientes donde la luz es escasa y existe bastante humedad en época de lluvias. De acuerdo al análisis de la Tabla 42, ambos cumplen con las exigencias de trabajo, se optará por el Módulo MV500NK por tener mayor rango de temperatura de operación, cuyas especificaciones detalladas se encuentran en Anexos B.3.

86

 

Webcam Es necesario ampliar el campo de visión del robot explorador para tener un mayor control dentro de las galerías, ya que el VRE no es autónomo. La mayoría de las cámaras de bajo costo llamadas webcam poseen resoluciones generalmente de QVGA y VGA. En el mercado existen miles de marcas de cámaras web, en la Tabla 43 solo se compara las más vendidas en la ciudad de Potosí. Tabla 43: Comparaciones webcam VIC-MAR y HV-N5085 Característica Resolución Formato de imagen Resolución Peso Sensor de imagen Sistema de señal Salida Formato de imagen comprimida Visión nocturna Micrófono Voltaje de trabajo Corriente de trabajo Longitud Sistemas Operativos soportados Versión del USB Driver

VIC –  MAR VIC –  QVGA/ VGA JPEG 8 [Mp] 145[g] CMOS PAL/NTSC USB JPEG 4 Leds Disponible 5[V] > syms x y >> solve(1.25*(1+x/242)+50e-6*x-3.3',x) ans = 393.0750 la resistencia aproximada comercialmente es de 390Ω Las 390Ω  Las gráficas de la simulación, el diseño de PCB, la simulación 3D y el ensamblado están en Anexos B.10. 

3.3.4 Diseño del puente H Si se conoce el tipo de transistores que soportan los motores, en el puente H los transistores trabajan en corte y saturación.

3.3.4.1 El transistor en corte y saturación Se dice que el transistor está en corte cuando

Figura 153: Recta de carga del transistor en corte  

 Ic  0 , VCE

 V CC

   como se puede observar en la

Figura 149, si no hay resistencia de polarización en la base

 I  B ;

y por consiguiente tampoco hay

corriente de colector  I C  , es decir  I C    0 . Si

 I C  



0,

no hay caída de tensión en

esta sobre el transistor, es decir

VCE

 RC  ,

 V CC

de forma que

V  RC  



0,

toda la tensión de la fuente

,   el punto de trabajo en la recta de carga esta en el

 punto de corte. Se dice que el transistor está en saturación cuando V CE  



0 ,  I C max  es

decir, cuando su punto de trabajo

está en el extremo superior de la recta de carga. En el circuito de la Figura 154, la corriente de base

 I  B

Figura 154: Recta de carga del transistor en

ha de ser tal que la de colector  IC



IC max

 VCC

 I C    de

forma que

/ RC .  

157

 

Se sabe que  IC  I C  .

    * I B

 pero al trazar la recta de carga se obtiene un límite o valor máximo de

Si se cambia el valor de

momento en el que    * I   B



 R B   de

forma que aumenta la corriente de base  I  B , llega un

I C max  

3.3.4.2 Polarización de base del transistor para el puente H Figura 155: Polarización de base de transistor para el Puente H 

Cada una de las seis ruedas del robot tiene su puente H para evitar el uso de transistores Mosfet de alto amperaje y costos muy elevados. La polarización de la base permite reducir la cantidad de PWM que se usa en Arduino, para que un motor pueda ir hacia la derecha y hacia la izquierda se necesita dos pines PWM, como se tiene seis motores representa doce pines PWM. Sin embargo, con la  polarización se podría reducir a dos pines PWM para 3 motores,  para esto para esto se empieza e mpieza a sacar las ecuac ecuaciones iones del circuito de la Figura 155.

V BB



RB * I B

 VBE    

(3. 23) 

VCC



RC * IC

 VCE    

(3. 24) 

A partir de la 1ra ecuación se calcula el valor de la corriente de  base  I  B que es la que interesa suponiendo que  R B

 1K 

.

El valor de V  BB  es de 5 [V] (salida PWM del arduino), el valor es de 2.5 [V] según su datasheet.  I  B 

V BB  V BE   R B

Entonces  I B



 

Figura 156: Mosfet 

V  BE   

(3. 25) 

2.5mA  

La corriente mínima para que el transistor entre en saturación es de 0.2 [mA] según su datasheet, por lo tanto dividiendo esa  I  B entre 3 se tiene:

 I  B /3 



0.8  

158

 

Lo suficiente para activar tres puentes H en paralelo, las gráficas de la simulación, el diseño de PCB, el ensamblaje vitual 3D y el ensamblado físico están en Anexos B.11. 

3.3.5 Diseño de placa driver de leds El consumo de leds de alta luminosidad conectados directamente a la fuente es mayor que emplear un circuito que limite ese consumo, un driver para controlar los mismos por PWM es ideal para reducir considerablemente tal consumo. El driver necesariamente tiene un transistor. El tipo de transistor empleado va de acuerdo a la cantidad de carga a controlar. Los leds consumen

100

[mA]

con

un

voltaje

de

Figura 157: Curva Id-Vds 

funcionamiento máximo de 3 [V], como son 6 leds, la corriente total es de 600 [mA], por lo que se necesita un transistor que soporte un drenaje de más de 600 [mA] en saturación. Empleando un mosfet como el IRF720 de canal N (Figura 156), cuya hoja de datos se encuentra en el Anexo B.12, soporta un alto voltaje de 400 [V], pero una corriente de 3300 [mA]. Esa corriente disminuye de acuerdo al voltaje empleado  para llevar al transistor a la zona de saturación. El diseño se divide en dos partes, la sección de activación y la de carga.

Sección de carga Según la hoja de datos el Mosfet soporta los siguientes parámetros:   V DS



400[V ], I D

 3.3[ A]

 

Como se muestra en la Figura 157. Si se asume un

V DS 



2.5[V ] ,

se tiene una corriente máxima que pasa por

Para conocer la resistencia de carga se asume los siguientes parámetros:

 I D

 800[mA]

.

V DD



5[V ] ,

159

 

 I D



V LED

IL 



I LED



0.6[ A]  

2[V ]  

Por lo que la la caída de tensi tensión ón en la resistencia es: V L  5  2.5  2  0.5[V ]   La resistencia se calcula como:  R L

 VL

/ I L



0.5 / 0.6  0.83[] ,

normalizando a 1[]  

Sección de activación Para controlar cargas por PWM calcular la

 RG   debe

ser bajo. Asumiendo

 RG 

 0[]

. No es necesario

 I G ya que el efecto no es con la corriente, sino con el voltaje.

Al trabajar con los parámetros anteriores y según la Figura 157 el voltaje

VGS 

 5[V ]

. El

circuito queda como se muestra en la Figura 158. Figura 158: Driver de Leds de alta luminosidad  

Según la Figura 158 la resistencia de 100 [K] a masa sirve para definir un estado lógico  preciso en e n el caso que el e l Arduino no lo hace h ace como co mo en la fase de inicialización del mismo. L Laa simulación, el diseño de PCB, ensamble virtual 3D y el ensamblado fisico estan en Anexos

B.13. 

3.3.6 Diseño del circuito antirrebote El diseño es un circuito RC, para calcular estas variables se emplea la fórmula t = RC. 160

 

Donde: t: tiempo que dura la activación del encoder R: resistencia C: capacitor Considerando el tiempo de activación del encoder según la rotación de la rueda (192 [rpm] / 2 [Kg]). Se tiene que una revolución de la rueda lo realiza en 0.3[s], cada paso del encoder en la rueda es de 15.65 [º]. En la rueda 0.3 [s] equivale a 360 [º], entonces en 15.65 [º] equivale a 13.04 [ms]. Asumiendo C=47 [uF] la resistencia tiene un valor de:  R 

t  C 



13.04*103 

47*10

 277.44[ ] , normalizando a 330[]  

6

Para asegurar el retardo se emplea un circuito integrado negador con retardo, el 7414 (hoja de datos en Anexo B.14). El circuito queda como se muestra en la Figura 159. Figura 159: Circuito antirrebote

Según la Figura 159 la resistencia de 10[]   es para que el capacitor no llegue a cortocircuitarse al activarse el encoder. . La simulación, el diseño de PCB, ensamble virtual 3D y el ensamblado fisico estarán en Anexos B.15.

161

 

3.4 SISTEMA INFORMÁTICO 3.4.1 Metodología de diseño del sistema informático del VRE Figura 160: Metodología de diseño del sistema informático del VRE

Implementación Implement ación de ecuaciones cinemáticas del Brazo robot en Arduino IDLE

Programa de calibración de servomotores en C#

Brazo robot

Algoritmo de control de servomotores

Programa de control de servomotores en Arduino IDLE Protocolo de comunicación Funduino-Arduino Mega ADK 

Algoritmo de captura de datos de imagen con la cámara C328R  Algoritmo de captura de datos de imagen con la cámara VICMAR 

Algoritmo de captura de datos Kinect Sensores de visión Desarrollo de ecuaciones para la reconstrucción reconstrucción 3D

Algoritmo para la reconstrucción 3D Diseño del programa en Python para el tratamiento de los datos de los sensores de visión

1

 

162

 

1

Sensor de posición

Leds

Sensor ambientales

Diseño del programa en Arduino IDLE para la ca ptura de datos del encóder 

Diseño del programa en Arduino IDLE para el con trol PWM de Leds

Diseño del programa en Arduino IDLE para la captura de datos ambientales

Diagrama de flujo de control de movimiento del robot Programa de Control Del VRE Programa de control de movimiento del robot

Diagrama de flujo de la interfaz HMI del robot Programa del HMI del VRE Programa de la interfaz HMI del robot

 

3.4.2 Brazo 3.4.2.1 Implementación de ecuaciones cinemáticas en Arduino IDLE Arduino IDLE tiene todo lo necesario en cuanto a funciones matemáticas se refiere, como sin, cos, tan, atan, atan2, pow, etc. La implementación implementación de las ecuaciones (páginas 149 y 150) de la la cinemática directa e inversa 3D, se muestra en la Figura 161.  161.  

163

 

Figura 161: Implementación de las ecuaciones de la cinemática directa e inversa en código código arduino

Como se observa en las Figura 161 las funciones cosd y sind son creadas a partir de cos y sin.

3.4.2.2 Programa de calibración de servomotores en C# Para llevar a cabo la implementación del

Figura 162: Programa de calibración de servomotores  

firmware de Funduino, es necesario calibrar los servomotores en sus rangos correctos de funcionamiento (0 a 180 [°]), para lo cual se diseña un programa en Visual C# y A Arduino rduino IDLE, cuyo código fuente se encuentra en el Anexo C.6. El formulario del programa se observa en la Figura 162, en la cual hay varias subventanas, como la conexión con Arduino, selección de servo, slider y el tiempo obtenido de calibración. Con la calibración obtenida los rangos que operan los servos son: Tabla 73: Rangos de funcionamiento de servomotores

SERVOMOTOR MG995

Ancho de pulso ON Min [us] 597

Ancho de pulso ON Max [us] 2156

670

2120

A0090

164

 

3.4.2.3 Diagrama de flujo de control de servomotores para el Funduino Uno  Figura 163: Algoritmo de control de servomotores  Activar  Activ ar Orden Orden

MAIN Inicio

Inicio NO

phi = (1 + sqrt(5)) / 2.0

SI x=x+0.2

'X'

NO

  x,y.z,pitch, L3, t5

SI x=x-0.2

'x'

NO

L2 = phi * L3

SI y=y+0.2

'Y'

L1 = phi * L2

NO SI y=y-0.2

'y'

x_ant = x

NO SI z=z+0.2

'Z'

y_ant = y NO

SI

z_ant = z

z=z-0.2

'z'

NO

pitch_ant = pitch

SI pitch=pitch+0.2

'P'

CI

NO SI

i=0

pitch=pitch-0.2

'p'

NO

nd = 1

SI t5=t5+1

'H'

1

NO

Fin

SI

NO SI

t5=t5-1

'h'

SI

NO

NO

¿Existes datos para leer?

SI Barrido_Suelo

'S'

NO

Datos[i] = Rx

SI 'A'

i = i +1 SI

NO

Fin

i = nd

i=0

dato = Datos[0]

 Activar  Activ ar Orden Orden

SI

NO Dato = 'C'

Tx 'F'

CI

Barrido_Aire

 

165

 

Cinemática Inversa

Inicio

1

N0

r = sqrt(x*x+y*y)

t2i 0 && t2i < 180 && t3i > 0 && t3i < 180 && t4i>-90 && t4i0 && pitch <

SI

180 && t5 >0 && t5 < 180

SM[0] = t1i

SI

N0 cs2 > -1 ˄ cs2 < 1

SM[1] = t2i

sn2 = sqrt(1-cs2*cs2) pitch = pitch_ant  x = x-ant y=y_ant z=z_ant t5=t5_ant

a = L1+L2*cs2

SM[2] = t2i

pitch = pitch_ant  x = x-ant y=y_ant z=z_ant t5=t5_ant

SM[3] = t3i

SM[4] = t4i_mod

b = L2*sn2 Tx 'E' t1i = r_a_d( atan2(y,x) )

SM[5] = t5

t2i = r_a_d( atan2(zn,rn)-ata atan2(zn,rn)-atan2(b,a) n2(b,a) )

pitch = pitch_ant  x = x-ant y=y_ant z=z_ant t5=t5_ant

Tx 'S'

t3i = r_a_d( atan2(sn2,cs2) )

SI

N0 t1i //es una librería de Arduino para controlar los #include 0){ available()>0){ //espera que lleguen datos al puerto while serial  ps = Serial.read(); read(); //guarda elserial valor  recibido en ps  ps  switch (ps){ switch (ps){ //condicional switch case 'O': case  'O': // la semiautónoma se activara //instrucciones break; break ; case case'o' 'o': : // la semiautonomous se desactivara  desactivara   //instrucciones break; break ; case   'R': 'R': // el modo rotacional se activara  activara  case //instrucciones break; break ; case   'r': 'r': // el modo rotacional se desactivara case //instrucciones break; break ; case   'P': 'P': case while (ps== while (ps=='P' 'P'){ ){ // nuevo valor del PWM pw1 = Serial.read(); read(); pw= char(pw1); char(pw1); if if((pw='.' '.')){ )){//evita //evita que se almacenen caracteres erróneos pwm = pwm +pw; //almacena los datos leidos en un vector  vector  } if (pw1==',' if (pw1== ','){ ){//condicional //condicional que indica el fin de la Rx pwv=(pwm.toInt pwv=(pwm. toInt()); ()); //remplaza el valor del PWM PWM    ""; ; //limpia el vector vector    pwm="" pwm= ps=0; while  //se sale del bucle while  } } } }

- 

break; ; break

Lectura de una función creada llamada “movlib “movlib”, ”, que ejecuta instrucciones de movimiento según los datos recibidos y las condicionales del movimiento semiautónomo y modo rotacional, para mover el VRE hacia adelante o hacia atrás se tiene:  if(ps== (ps=='w' 'w'){ ){//comando //comando para que ejecuta el movimiento hacia adelante adelante    if ww=1; //variable auxiliar que habilita el movimiento hacia adelante  adelante  

ss=0;//variables ss=0; //variables

de seguridad que deshabilita el movimiento hacia

atrás //detiene el movimiento en reversa del motor analogWrite(S1, analogWrite (S1, 0); analogWrite analogWrite(S2, (S2, 0);

179

 

analogWrite analogWrite(S3, (S3, 0);

-  La variable ww está dentro de la función llamada “avance” que habilita el sentido de los motores a un PWM deseado. void avance  avance (){ void if if (ww==1){  (ww==1){ analogWrite(N1, analogWrite(N1, pwv); } }

-  Para girar a la izquierda o derecha de manera suave y que el servomotor no se esfuerce, dentro de la función función “moblib” se tiene: if if(ps== (ps=='a' 'a'){ ){// // commando que ejecuta el movimiento de la rueda hacia la izq.  izq.  if (pos1==35){  (pos1==35){// // si la posicion esta en su max que es 35º no hace if nada  nada   }else{ else{// si la posición del servo es menor a 35º habilita una variable a=1;} }

- 

La variable a esta dentro de la función llamada “ser” que mueve el servo de manera suave  void ser(){  ser(){ void switch (a){  (a){ switch case 1: case 1: sv++; if (sv == 2000){//contador if (sv 2000){//contador que remplaza el delay  delay   if(pos1>34){ //si la posición del servo es mayor a 34  34  if(pos1>34){//si pos1--; //reduce uno a la la posición s1. s1.write write(pos1); (pos1); //escribe nueva posición del servomotor  servomotor   sv = 0; //reinicia el contador  contador  } if(pos1==35){ if(pos1==35){ //si la posición llego al límite desactiva el swich a=0; } } } }

- 

De esta misma forma se orientan las 4 ruedas en el modo rotacional, la función del

modo rotacional se llama rota .  Por último estan las condicionales que definen si el robot está con o sin autonomía, si están o no en modo rotacional. 180

 

if if ((au==0)&&(au1==1)){  ((au==0)&&(au1==1)){ //condiciones para estar en autonomía  autonomía  //instrucciones    //instrucciones } } if((r==1)&&(r1==0)){ ((r==1)&&(r1==0)){//condiciones //condiciones para estar en rotacional if //instrucciones  //instrucciones   }

3.4.8 Diagrama de flujo de la interfaz HMI del robot Figura 171: Flujograma de la interfaz HMI del robot INICIO

- Captura el puerto COM del XBee - Define el tamaño de la ventana - Carga la figura diseñada del HMI (etiquetas, cuadros, indicadores, hora, colores, graficas) - Cambiar el indicador del modo rotacional del HMI - Mandar el comando para posicionar las 4 ruedas

Si

Si

Cambio de estado el modo rotacional?

No

Si

No

Control semiautónomo activado?

Si

Si

El byte pertenece a imagen?

Si

No

No

Si

Enviar coordenada X o Y o Z y el ángulo Pith para la posición del brazo robótico

No

Si

Enviar el valor del PWM

Mandar comando al robot para cambiar el indicador de autonomía del HMI

Mandar comando al del robot para cambiar el indicador de autonomía del HMI

No

Se recibió un byte?

Se dio un click

- Esperar confirmación del robot para cambiar el indicador del modo rotacional del HMI - Mandar el comando para posicionar las 4 ruedas en 90º

No

Cambio de estado el control semiautónomo?

Se dio un click en enviar?

Modo rotacional activado?

Reconstruye la imagen para mostrarla en el HMI

Según la indexación remplaza el valor de los sensores para mostrarlos en el HMI

en ok? No

1

2

  181

 

1

Se presiono una tecla?

2

Si

Almacenar en una variable - Cambia de color el indicador de

No

dirección del HMI - Mueve vehículo adelante

Case ‘w’

Detener vehículo Case ‘s’

Mueve vehículo atrás

Case ‘a’

Mueve vehículo izquierda

Case ‘d’

Mueve vehículo derecha

FIN

 

3.4.8.1 Programa de la interfaz HMI del robot Processing trabaja píxel a píxel es decir que para dibujar con Processing hay que tener en cuenta que se trabaja sobre una cuadrícula de píxeles, que puede ser de 100x100 (tamaño por defecto), o lo que se quiera mientras la memoria RAM de la máquina donde se trabaja pueda aguantar. Cada píxel tiene su lugar en la cuadrícula, esta posición se expresa mediante coordenadas X, Y, con el punto 0,0 en la esquina superior izquierda de la ventana. Por ejemplo, para dibujar una línea hay que especificar en el código de qué punto a qué otro de la cuadrícula tiene que ir. En el diagrama de flujo de la figura se explica el funcionamiento de manera general pasando  por alto muchos subprocesos subpro cesos y funciones cread creados os para la operatividad del programa. El E l código completo está en anexos. En Processing la estructura del código de divide en tres partes que son:

//1ra: definición de librerías y variables globales que se usaran void  void  setup (){ //2da: instrucciones que solo se ejecutaran la 1ra ves q se ejecute el programa  programa   }

182

 

void void   draw(){ //3ra: código principal que se ejecutara mientras el programa este en ejecución  ejecución   }

Lo primero que se debe hacer es definir las librerías que se van a usar para el funcionamiento del HMI, para esto existen las siguientes instrucciones: import import processing.serial.*;  processing.serial.*; //permitirá la comunicación con el módulo de RF  RF   import g4p_controls.*;  g4p_controls.*; //facilitara el uso de textbox  textbox  import

Luego se empieza a definir todos los tipos de variables a ser usados para la ejecución del código, para este programa se hace uso de variables de tipo String, color, boolean, byte, float, char, int, además de crear las variables con las que se conecta el módulo de RF con la pc, estas son: String portname = "COM3" String portname "COM3"; ; //define el Puerto que se va a capturar Serial port; //nombre del Puerto creado

Una vez definidas todas las variables y librerías que se van a usar se entra a la segunda parte de la estructura del código en donde se define lo siguiente: size (X, size (X, Y, 1270,710); //tamaño de la ventana en pixeles (x,y) background(245); background (245); //color del fondo de la ventana  ventana  this, , 40, 453, 40, 20); //define la variable text0= new GTextField( new GTextField(this textbox text0.setDefaultText(" text0.setDefaultText( " in ' X '"); '"); //etiqueta q se visualiza en el textbox  textbox   port = new Serial( new Serial(this this, , portname, 9600); //captura del puerto serial keys=new keys= new   boolean boolean[4]; [4]; //define las teclas como variables boolean  boolean   keys[0]=false keys[0]= false; ; // inicia las variables como no presionadas  presionadas   figura(); //ejecuta la función creada llamada figura PImage b PImage  b = loadImage loadImage( ("uatf.png"); "uatf.png"); //carga la imagen uatf.png image(b, image (b, X, Y,190,230); //posiciona y define el tamaño de la imagen

Cuando termina de ejecutar la segunda parte de la estructura del código pasa a la tercera parte que es el loop infinito donde se tiene: -  Lectura de una función creada llamada “in”, que captura los datos e imágenes transmitidos por el VRE hacia la pc, este tiene un arreglo que permite manejar el VRE

sin interrupción por la llegada de datos, para entender mejor se muestra parte del código para la recepción del sensor de CO.

183

 

void in(){ //función de entrada de datos llamada in void in(){ while  while   (port.available() > 0) { //solo ejecutara cuando se detectan datos en el Puerto serial if (i==0){ if  (i==0){ //si i es igual a 0 ps = port.read(); //lee el Puerto serial b = ps; //almacenar la lectura del Puerto en b  b  i++;}else i++;} else{ { // si i es deferente de cero //la variable del primer byte leído y almacenado en b definirá a cuál de los sensores corresponde o si pertenece a una cámara if  if   (b=='G' (b=='G'){ ){ //el valor ‘G’ corresponde al sensor CO ps = port.read();//lee port.read();//lee el Puerto serial se = char(ps); char(ps);//almacena //almacena en cadena los valores que llegan al puerto serial en se if  if   ((se= ((se='.' '.')){ )){//filtra //filtra los bytes para evitar caracteres erróneos Sse2 = Sse2 +se; //almacena los datos filtrados en un vector llamado Sse2 } if if    (ps==',' (ps==','){ ){ // si llega el character‘,’significa que la Rx finalizado //Convierte el vector en una variable float para poder mostrarla en pantalla fSg = Float Float. .parseFloat parseFloat(Sse2); (Sse2); //Definimos números significativos y menos significativos Sse2= nf nf(fSg, (fSg, 2,0); Sse2="" Sse2= ""; ; //limpiamos el vector vector    // salimos del bucle del sensor i=0;// i=0; CO } } } } }

-  Lectura de una función creada llamada “graf”, que grafica el valor  de  de la temperatura en una cuadrícula utilizando la función map para ajustar la escala de temperatura a la del número de pixeles que tiene la gráfica. -  Lectura de una función creada llamada “reloj” que muestra la fecha y la hora de la pc en el HMI. void void reloj(){  reloj(){

PFont f  f PFont

loadFont( loadFont( Arial BoldMT 48.vlw ); //carga el tipo

de letra  letra  textFont textFont(f, (f, 16); //define el tamaño de la letra int s int  s = second(); second(); //variable de segundos  segundos  int m  m = minute(); minute(); //variable de minutos  minutos  int int int h  h = hour(); hour(); //variable de horas

184

 

//orden de las variables de la hora String t String  t = nf(h,2) nf(h,2) + ":" + ":" + nf nf(m,2) (m,2) + ":" + ":" + nf nf(s,2); (s,2); text(t, 1190, 30); //posición del vector de la hora  text(t, hora  int d = day(); int d day(); //variable de días int mes int  mes = month(); month(); //variable de meses meses    int y year(); //variable de años  años  int y = year(); //orden de las variables de la fecha String fch String  fch = nf(d,2) nf(d,2) + "/" + "/" + nf(mes,2) nf(mes,2) + "/" "/" +  + nf nf(y,4); (y,4); text text(fch, (fch, 1174, 50);//posición 50);//posición del vector de la fecha  fecha  }

-  Lectura de una función creada llamada “mouse” que transmite valores del textbox o PWM cuando se da click en el botón respectivo. if if ((  ((mouseX mouseX >  > 830) && (mouseX (mouseX <  < 855) && (mouseY <  < 659)) { //entre coordenadas X, Y Y    (mouseY > mouseY > 627) && (mouseY if if (  (mousePressed mousePressed ==  == true) true) { //si se presiona el mouse if ( if  (mouseButton mouseButton ==  == LEFT) LEFT) { //boton izq. presionado presionado    if (click2==0){  (click2==0){ if txt3 = text3.getText();

//captura el texto escrito  escrito  if ((txt3 "")){ )){ //si el vector no está vacío if ((txt3 != "" //convertir valor a int  int  t3au=Integer Integer. .parseInt parseInt(txt3); (txt3); int t3au= port.write(t3au+"," port.write(t3au+ ","); );//TX //TX el valor // Variable auxiliar que solo permite un solo envió de datos por click click2++; } } } } }

-  Lectura de la función llamada “keyPressed “ keyPressed”” esta función es parte de Processing y se ejecuta sin necesidad de mencionarla en el “void draw”, esta función nos permite realizar eventos cuando se presiona una tecla definida previamente. void void   keyPressed  (){ (){ if (aux0  (aux0 < 1 1){//variable ){//variable que evita que la instruccion se if ejecute varias veces if( if (key key== =='w' 'w'|| ||key key== =='W' 'W'){ ){ keys[0]=true keys[0]= true; ;// habilita las instrucciones de keys[0] keys[0]    aux1++; //cambia de color el botón del mando del HMI stroke(ont2); stroke (ont2);

strokeWeight strokeWeight(2); (2); fill(boton); (boton); fill rect rect(95,540,40,40); (95,540,40,40); strokeWeight(1); (1); strokeWeight stroke stroke(boton); (boton); fill(ont2); (ont2); fill

185

 

triangle triangle(105, (105, 560, 115, 550, 125, 560); } }

-  Lectura de la función llamada “keyReleasedkeyPressed “keyReleasedkeyPressed””, esta función es parte de  processing y se ejecuta sin necesidad de mencionarla en e l “void draw”, esta función  permite realizar eventos cuando se suelta o presiona la tecla definida previamente. También se crea funciones para conformar todas las cajas, botones y etiquetas, las instrucciones básicas de Processing para crear figuras geométricas son: line line(X, (X, Y, tamaño de X, tamaño de Y); //se usa para crear líneas  líneas  rect(100,50,40,40); rect(100,50,40,40); //se usa para crear cuadrados o rectángulos ellipse(120, ellipse (120, 120, 180, 180); //se usa para crear elipses triangle(110, triangle (110, 70, 120, 60, 130, 70); //se usa para crear triángulos stroke(R, stroke (R, G, B); //define el color del margen de la figura con los parámetros R,G,B que varían de 0 a 255 strokeWeight(2); strokeWeight (2); //indica el grosor del margen de la figura fill(R, fill (R, G ,B); //rellena la imagen con color  color 

3.4.8.2 Programa De HMI Ejecutado Figura 172: Imagen del HMI

El código fuente del HMI se encuentra en Anexos C. 14.

186

 

Capítulo 4 Costos

 

 

CAPÍTULO 4 COSTOS 4.1 Costos de los equipos El sistema robot explorador está integrado por un conjunto de sensores, actuadores y dispositivos electrónicos. En las Tablas 74, 75 y 76 se indica la cantidad de dispositivos a emplearse en el VRE desde el punto de vista de los sistemas Mecánico /Eléctrico/Electrónico. -  Componentes Mecánicos Tabla 74: Cantidad de componentes mecánicos   COSTOS DE COMPONENTES MECÁNICOS Nº Descripción Descripció n Cantidad 1x2m 1 Plancha de aluminio 6m de largo x 13mm de perfil 2 Tubo circular de Aluminio de 3 4 5 6 7 8

Tubo cuadrado de Aluminio Tubo rectangular de Aluminio Tubo rectangular de Aluminio Arandelas Pernos Pasadores

Unit. Bs. Total Bs. 125 250 25 150

3m de largox25x25mm largox25x25 mm de perfil1 1m de largo por 25x38mm de perfil 1m de largo por 20x15mm de perfil 12 72 2 Costo total

15 15 10 0,8 0,3 5

45 15 10 10 24 10 514

-  Componentes Eléctricos Tabla 75: Cantidad de componentes eléctricos  COSTOS DE COMPONENTES ELECTRICOS Nº Modelo

Descripcion

Cantidad

Unit. Bs.

Total Bs.

1 RS380S 2 MG995

Motorreductor

2

208

416

Servomotor

1

96

96

3 A0090

Servomotor

1

104

104

4 Cable N° 14

Cable de alimentación

6m

1,5

9

5 Cable N° 12

Cable de alimentación

6m

2

12

6 Cable 3 líneas 7 Bateria

Cable de servomotor

15m

3,5

52,5

Lead Acid 12V

2

250

500

8 Batería 9 Fueníe 10

-

Lead Acid 6V

1

150

150

Fuente de PC Ventiladores Ventiladore s

1 2

100 30

100 60 1499,5

Costo total

187

 

-  Componentes electrónicos Tabla 76: Cantidad de componentes electrónicos COSTOS DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS Nº Modelo 1 Sharp GP2Y0A02YK0F 2 DHT22 3 4 5 6 7 8 9 10 11

CO MQ-7 MV500NK VicMar

Descripción Sensor Infrarrojo Infrarr ojo Sensor de Temperatura y Humedad Sensor de CO Cámara Cámara

Kinect Raspberry Pi 2 model B Arduino Mega ADK Funduino Xbee Pro Series 2 -

Sensor de 3D Microcomputadora Plataforma de desarrollo desarroll o Plataforma de desarrollo desarroll o Módulo de radio frecuencia Regulador de niveles lógicos

1 1 1 1 2 1

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

7805 7809

Regulador de voltaje Regulador de voltaje Regulador de voltaje Block Transist Transistor or NPN Transist Transistores ores PNP Transistor Transist or PNP Disipador de aluminio Resistencias Diodos PCB 25 x 30 [cm] AÁido 1/2 [litro]

1 1 1 30 24 12 1 24 44 24 1 1

6 7 8 3,5 5 5 3,5 3,5 0,3 1 95 25

6 7 8 105 120 60 3,5 84 13,2 24 95 25

Estaño [m] Costo total

5

2,5

12,5 5257,2

24

LM317 TIP122 TIP125 2N3906 -

4.2 Costos de diseño e ingeniería Duración del proyecto: 8 meses y medio. Horas efectivas de trabajo: 1320.

Cantidad 2 1 1 1 2

Unit. Bs. Total Bs. 208 416 96 96 104 104 600 600 300 600 400 400 550 550 749 749 150 150 501 1002 27 27

188

 

Tabla 77: Costos de diseño de ingenieria COSTOS DE DISÉÑO DE INGENIERÍA Descripción Descripció n Horas Precio por Hora Bs. Desarrolloo del proyecto Desarroll Diseño mecánico Diseño del brazo robótico Diseño electrónico de acondicionamiento Diseño del programa de control del robot en software libre Diseño del HMI en software libre Diseño de la reconstrucción reconstrucció n 3D en software libre Costo total

Precio total Bs.

40

250

10000

240 160 80 240 480 80

400 800 750 1100 900 200

96000 128000 60000 264000 432000 16000 1006000

4.3 Costos de mano de obra Duración del proyecto: 6 días. Horas efectivas de trabajo: 88. Tabla 78: Costos de mano de obra COSTOS DE MANO DE OBRA Horas Precio por Hora Bs.

Descripción Descripció n Técnico mecánico soldador Técnico electrónico ensamblador de placas

40 48 Costo total

20 20

Nº de Técnicos

Precio total Bs.

1 1

800 960 1760

4.4 Costo total del proyecto Tabla 79: Costo total del proyecto COSTO TOTAL DEL PROYECTO Descripcion Componentes mecánicos Componentes electrónicos Componentes eléctricos Diseño de ingeniería Mano de obra

Costo total

Precio total Bs. 514 5257,2 1499,5 1006000 1760 1015030,7

189

 

Análisis de la inversión Actualmente el Cerro Rico De Potosí no tiene:  

- Sistema de monitoreo ambiental que sea móvil en las galerías. -  Sistema de monitoreo estructural que sea móvil en las galerías. -  Plano digital en 3D de las galerías. -  Robot móvil de exploración en las galerías. Con la construcción del robot el Cerro Rico de Potosí contra con: -  Un sistema de monitoreo ambiental que sea móvil en las galerías. -  Un sistema de monitoreo estructural que sea móvil en las galerías. -  Un plano digital en 3D de las galerías. -  Un robot móvil de exploración en las galerías. -  Un producto tecnológico desarrollado en Bolivia. -  Un robot open source, pensado para ampliar su instrumentación.

Conclusiones del análisis El costo total para la implementación del robot es de 1015030,7Bs  (145837,7 $US), un precio que al parecer es elevado, pero si se compara con el precio del curiosity (250000 millones de $US) este robot es económico. El VRE generará un beneficio para la ciudad de Potosí en: -  Un impacto tecnológico a nivel Bolivia. -  Mayor seguridad para los trabajadores del Cerro Rico de Potosí. -  Un plano en 3D de las galerías. -  Una base de datos de los parámetros leídos.

190

 

Capítulo 5 PRUEBAS

 

 

CAPÍTULO 5 PRUEBAS Estas medidas son tomadas el 11 de noviembre del 2015, aproximadamente a las 10 de la mañana, como guía y facilitador de la exploración estuvo presente el Ing. Fredy Llanos (Docente de la Facultad de Mineria de la UATF).  

5.1 Ensamblaje mecánico Figura 173: Ensamblaje mecánico del VRE, vista de perfil

Figura 174: Ensamblaje mecánico del VRE, vista frontal

191

 

Figura 175: Medición de masa del VRE

5.1.1 Sistema de suspensión Figura 176: Desplazamiento en terreno irregular del VRE, vista de perfil

Figura 177: Superación de obstáculo del VRE

192

 

Figura 178: Desplazamiento en tereno irregular del VRE, vista frontal

5.2 Mediciones Se toman el 11 de noviembre del 2015, aproximadamente a las 10 de la mañana. Para todas las pruebas a describirse se lleva a cabo en puntos específicos de la galería como se muestra en la Figura 179. Figura 179: Puntos de medida en la galería principal de la mina San Luis

193

 

5.2.1 Pruebas de la estática y dinámica del VRE Para la prueba estática el VRE opera sin energía, se desarrollan las pruebas de fricción estática de las ruedas en las cercanías del Cerro Rico de Potosí, como se muestra en la Figura 180, cuyos valores oftenidos se encuetran en las Tablas 80 y 81. Figura 180: Cerros en las cercanías del Cerro Rico de Potosí

Tabla 80: Mediciones de coeficiente de rozamiento estático en el Punto P1 Punto

P1

Suelo

Granular fino

Angulo de fricción,ϴ fricción, ϴ [°] 5 10 15 20 25

Materiales en contacto

Goma

Tierra granular

Coeficiente de rozamiento estático, tan(ϴ tan( ϴ) 0,087 0,176 0,268 0,364 0,466

Tabla 81: Mediciones de coeficiente de rozamiento estático en el Punto P2 Punto

Suelo

Angulo de fricción,ϴ  [°]

Materiales en contacto

0,577

30 35 Granular

Coeficiente de rozamiento estático, tan(ϴ) 0,700

Tierra

P2

40

fino

Goma

0,839

granular

50

1,192

63

1,963

194

 

Del mismo modo para la prueba dinámica el VRE opera sin energía, cuyos valores obtenidos se muestran en lá Tabla 82. Tabla 82: Mediciones de coeficiente de rozamiento dinámico en el Punto P2 Punto

P2

Ángulo de fricción,ϴ [°] fricción,ϴ 64 60 55 50 45

Suelo

Granular fino

Materiales en contacto

Goma

Tierra granular

Coeficiente de rozamiento dinámico, tan(ϴ tan( ϴ) 2,05 1,732 1,428 1,192 1

En las Figuras 181 y 182 se observa las gráficas correspondientes a las Tablas. Figura 181: Variación del ángulo de inclinación    o    t    n    e    i    m    a    u    z  ,    o   o    r    c    e    i    t     d    á    e    t    t    s    n   e    e    i    c    i     f    e    o    C

70 60 50 40 30 20 10 0 0

5

10

15

Unidades de referencia Figura 182: Variación del coeficiente de rozamiento 2,5

   o    t    n    e    i 2    m    a    u    z  ,    o   o1,5    r    c    e   i     d   m    e   a 1    n    t    i    n    d    e    i    c 0,5    i     f    e    o    C

0

20

0

5

10

15

20

Unidades de referencia

195

 

5.2.2 Pruebas superación de obstáculos del VRE Luego de la prueba dinámica, al VRE se suministra energía eléctrica para llevar a cabo las  pruebas de superación de obstáculos, o bstáculos, cuyos datos se exponen en la Tabla 83. Tabla 83: Medidas de superación de obstáculos en P1 Punto

P1

Angulo de fricción,ϴ [°] fricción,ϴ

Suelo

Granular fino y rocoso

Tiempo [s] 10 10 10 10 10

Materialesen contacto

0 15 20 30 35

Goma

Tierra granular

Velocidad [cm/s] 15 12 10 7 5

V[V] 12,5 12 11,98 11,8 11,7

I[A] 4,15 4,56 5,24 5,24 5,24

Las mediciones de corriente y voltaje se ll llevan evan a cabo en llos os polos de placa dis distribuidora tribuidora En las Figuras 183 y 184 se observa las gráficas correspondientes a la Tabla 83. Figura 183: Inclinación Vs Velocidad 40

    ]    °     [ 30    n     ó    i    c 20    a    n    i     l    c 10    n    I

0 0

2

4

6

8

10

Velocidad [cm/s]

Figura 184: Velocidad Vs Inclinación 12,6 12,4     ] 12,2    V     [    V 12

11,8 11,6

12

14

16

0

10

20

30

40

Inclinación [°]

196

 

5.2.3 Pruebas de potencia de la señal del módulo de RF a varias distancias Para poder realizar el testeo del rango de distancia se utiliza una herramienta del programa XCTU que se muestra en la la Figura 185. Figura 185: Programa XCTU

Con este software se puede hacer el análisis del rango de cobertura y la calidad de la señal entre dos módulos de radio frecuencia XBee de una misma red. A continuación se muestran las figuras capturadas a distintas distancias, la línea verde representa los dBm y la línea azul el porcentaje de paquetes transmitidos y recibidos.

A menos de 100 [dBm] el enlace se corta por lo tanto se puede observar que en algunos casos la antena de alambre puede tener mayor distancia. Las antenas estan a una altura de 50 [cm], aproximadamente. 197

 

D e 0 a 10 me metr tros os Figura 186: RSSI Vs Success el el rango de 0 a 10m

D e 10 a 20 me metr tros os Figura 187: RSSI Vs Success el el rango de 10 a 20m

D e 20 a 30 me metr tros os Figura 188: RSSI Vs Success el el rango de 20 a 30m

D e 30 a 40 me metr tros os Figura 189: RSSI Vs Success el el rango de 30 a 40m

198

 

D e 40 a 50 me metr tros os Figura 190: RSSI Vs Success el el rango de 40 a 50m

D e 50 a 60 me metr tros os Figura 191: RSSI Vs Success el el rango de 50 a 60m

D e 60 a 70 me metr tros os Figura 192: RSSI Vs Success el el rango de 60 a 70m

D e 70 a 80 me metr tros os Figura 193: RSSI Vs Success el el rango de 70 a 80m

199

 

D e 80 a 90 me metr tros os Figura 194: RSSI Vs Success el el rango de 80 a 90m

D e 90 a 100 me metr tros os Figura 195: RSSI Vs Success el el rango de 90 a 100m

D e 100 a 110 me metr tros os Figura 196: RSSI Vs Success el el rango de 100 a 110m

200

 

5.2.4 Mediciones de temperatura en la galería San Luis con el sensor DHT22 Tabla 84: Mediciones de Distancia y Temperatura n

Distancia [m]

Temp [°C]

10 16 20 26 30 40 50

11 11 11 11 11 11 11

1 2 3 4 5 6 7

Distancia

n

[m] 60 70 80 90 100 110 120

8 9 10 11 12 13 14

Temp [°C] 11 10 10 10 10 10 10

El promedio de temperatura es 10.57 [°C] Figura 197: Temperatura Vs Distancia 11,2 11 10,8 Temper atura vs Distanci a

10,6 10,4 10,2 10 9,8 0

20

40

60

80

100

120

140

5.2.5 Mediciones de humedad en la galería San Luis con el sensor DHT22 Tabla 85: Mediciones de Distancia y Humedad n 1 2 3

Distancia [m]

Hum [%]

n

10 16 20

75 75 77

8 9 10

Distancia [m] 60 70 80

Hum [%] 78 80 80

4 5

26 30

76 76

11 12

90 100

81 80

6 7

40 50

76 78

13 14

110 120

81 81

201

 

El promedio de humedad es 78.4% Figura 198: Porcentaje de Humedad Vs Distancia 82 80

Porcenta  je de humeda d vs

78 76

Distanc…

74 0

20

40

60

80

100

120

140

5.2.6 Mediciones de CO en la galería San Luis con el sensor MQ-7 Tabla 86: Mediciones de Distancia y CO n 1 2 3 4 5 6 7

Distancia [m]

CO [ppm]

n

10 16 20 26 30 40 50

27 21 21 21 20 19 20

8 9 10 11 12 13 14

Distancia CO [m] [ppm] 60 20 70 20 80 18 90 22 100 21 110 23 120 23

El promedio de CO es de 21,14 [ppm] Figura 199: PPM de CO Vs Distancia 30 25 20 15 10

PPM de CO vs Distanci

a

5 0 0

20

40

60

80

100

120

140

202

 

5.2.7 Mediciones de distancias de los sensores Sharp y Kinect Tabla 87: Mediciones de distancias n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Promedio

Distancia Sharp

Distancia Sharp

Izquierdo[cm] 32.5 20.5 40 37.1 45.6 23.5 39 28.6 37.9 28.4 30.7 26.3 24.8 38.7 32.4

Derecho[cm] 33.1 25.4 19.7 23.2 20.3 34.9 20.2 31.5 23 20.6 35.4 31.1 35.2 29.9 27.39

Distancia Kinect [cm] 70.4 65.2 80.2 73.8 71.4 83.3 60.1 72.3 85.3 76.1 72.9 68.8 80.1 79.6 74.25

5.2.8 Desplazamiento del brazo robot Los ángulos de operación al que se llega a alcanzar las articulaciones (Figura 200) se muestran en la Tabla 88 Figura 200: Ángulos de operación del brazo robot

203

 

Tabla 88: Mediciones de ángulos de las articulaciones del brazo robot Articulación G1 G2

Ángulo [°] 175 179

G3 G4 G5

170 175 170

5.2.9 Prueba del tiempo de autonomía de las baterías Se determina la autonomía de las baterías respecto a las siguientes acciones repetitivas: -  El VRE de desplaza a partir de un Punto Inici Inicial, al, en su avance recibe datos, mide las distancias laterales y frontales, llega a un Punto Final y se detiene. -  Desplaza el brazo robot midiendo variables ambientales (humedad, temperatura y monóxido de carbono), escanea (dispositivo Kinect Xbox), captura fotogramas (Cámaras delantera, trasera y brazo), transmite transmite datos medidos, ventila ventila el interior del cuerpo del VRE y nuevamente se desplaza. La medición del tiempo y la corriente de consumo que varía al avanzar de un Punto hacia otro se muestra en la Tabla 89. Tabla 89: Mediciones de tiempo, corriente y empleo de PWM Puntos 1-2

Tiempo [s] 190

I [A] 4.15

2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12

120 130 200 135 86 158 157 258 140 150

4.13 4.16 4.20 4.32 4.10 5.10 4.32 4.46 4.53 4.26

PWM [%]

78

12-13 13-14

216 220

4.56 4.15

Total Max. I

2160 -

5.10

204

 

Según la Tabla 88 el tiempo total es 2160 [s]. La medición del tiempo que retorna del Punto Final al Inicial es de 2150 [s] Por lo tanto, el tiempo total de operación es: tiempo_total = 2160 + 2078 tiempo_total = 4238 [s] = 1.17 [h] La medición medición de la batería de motorreductores antes de ini iniciar ciar la ruta es 13.5 [V]. La carga consumida es:  Autonomía Bat12V  Capacidad





Capacidad  C arg a

Aut Autonomía Bat12V  * C arga

Capacidad   1.17[h]*5.10[A] Capacidad   5.97[A*h]

 

Al finalizar la ruta el voltaje de la batería marca 11.7 [V]. La medición del tiempo en donde se mide y ejecuta acciones en un Punto se muestra en la Tabla 90. Tabla 90: Mediciones de tiempo, consumo de corriente de dispositivos y brazo robot n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Total

Tiempo Dispositivos [s] 90 70 19 4 22 52 8 12 63 24 25 6 28 74 588

I[A]

Tiempo Brazo[s]

I[A]

0.99 0.99 0.95 0.99

30 10 45 36

3.50 4.01 3.56 4.12

0.99 0.80 1.01 0.92 0.95 0.92 1.00 0.80 0.92 0.93 0.95

67 15 45 60 32 56 81 34 62 15 827

4.05 3.05 4.00 4.05 3.06 3.78 3.99 4.00 3.45 4.02 4.01

-

Max. I

1.01

-

4.12

Según la Tabla 90 el tiempo total de operación de los dispositivos es: 205

 

tiempo_total = 588 [s]= 0.17 [h] La medición medición de la batería de dispositivos antes de iniciar la ruta es 13.2 [V]. La carga consumida es:  Autonomía Bat12V  Capacidad





Capacidad  C arg a

Aut Autonomía Bat12V  * C arga

Capacidad   0.17[h]*1.01[A]

 

Capacidad   0.17[A*h]

Al finalizar la ruta el voltaje de la batería marca 12 [V]. Según la Tabla el tiempo total de operación de brazo es: tiempo_total = 827 [s]= 0.23 [h] La medición medición de la batería de dispositivos antes de iniciar la ruta es 6 [V]. La carga consumida es:  Autonomía Bat 6V  Capacidad





Capacidad  C arg a

Autonomía Bat 6V  * C arga

Capacidad   0.23[h]*4.12[A] Capacidad   0.95[A*h]

 

Al finalizar la ruta el voltaje de la batería marca 5.8[V].

5.3 Imágenes de las cámaras Las fotos capturadas fueron en resolución 160x120 pixeles y en formato comprimido jpg. D e 0 a 10 me metros tros ((C C ám ámara ara B Brr az azo) o) Figura 201: Captura de imagen de la cámara brazo en 10m

206

 

D e 10 a 16 m me etr tros os (C (Cám ámara ara trase traserr a) Figura 202: Captura de imagen de la cámara trasera en 16m

D e 16 a 20 m me etr tros os ((C C ám ámara ara braz brazo) o) Figura 203: Captura de imagen de la cámara brazo en 20m

D e 20 a 30 m me etr tros os ((C C ám ámara ara braz brazo) o) Figura 204: Captura de imagen de la cámara brazo en 30m

207

 

De 30 a 40 metros (Cámara delantera) Figura 205: Captura de imagen de la cámara delantera en 40m

D e 40 a 50 m me etr tros os ((C C ám ámara ara braz brazo) o) Figura 206: Captura de imagen de la cámara brazo en 50m

D e 50 a 60 metros (C (Cá ámara IIR R K i ne nect ct)) Figura 207: Captura de imagen de la cámara IR Kinect en 60m

208

 

D e 60 a 70 metr tros os ( C ám ámara ara B Brr az azo) o) Figura 208: Captura de imagen de la cámara brazo en 70m

D e 70 a 80 metros (C (Cá ámara I R K i ne nect ct)) Figura 209: Captura de imagen de la cámara IR Kinect en 80m

De 80 a 90 metros (Cámara Trasera) Figura 210: Captura de imagen de la cámara trasera en 90m

209

 

D e 90 a 100 metros (C (Cá ámar a I R K i nect nect)) Figura 211: Captura de imagen de la cámara IR Kienct en 100m

D e 100 a 110 metros (C (Cá ámar a I R K i ne nect ct)) Figura 212: Captura de imagen de la cámara IR Kinect en 110m

D e 110 a 120 metros (C (Cá ámar a I R K i ne nect ct)) Figura 213: Captura de imagen de la cámara IR Kinect en 120m

210

 

5.3.1 Filtros La captura de una imagen a color por cualquiera de las cámaras no siempre llega nítida, por lo que se aplica aplica un fil filtro tro para tener un resultado más adecuado. En la Figura 214a se muestra la imagen capturada por la cámara del brazo robot. La Figura 214b es el resultado de aplicar un filtro para disminuir el nivel de brillo, esta nueva imagen indicó que al fondo sigue habiendo nivel de profundidad. La Figura 214c es el resultado de aplicar un filtro para aumentar el nivel de brillo, esta nueva imagen indicó un poco más claro las paredes de la galería. Figura 214: Filtro de brillo: a) imagen capturada b) disminución de brillo c) aumento de brillo

5.4 Reconstrucción 3D La reconstrucción 3D de un nivel de  profundidad de la galería principal de la mina San Luis se desarrolla en 4 etapas: Descarga de nube de puntos al software Blender, filtrado de nube de puntos, creación de malla y unión de mallas. Para indicar las etapas mencionadas se hace

una

demostración

de

la

reconstrucción a 20[m] de la galería,

Figura 215: Imagen capturada con la cámara del brazo  

cuya imagen capturada por la cámara del  brazo se muestra en la Figura 215. 211

 

5.4.1 Descarga de nube de puntos al software Blender En la Figura 216 se muestra la nube de puntos capturados por el Kinect aproximadamente a 0 [º] Figura 216: Puntos capturados por el Kinect a 0º

En la Figura 217 se muestra la nube de puntos capturados por el Kinect aproximadamente a 90 [º] Figura 217: Puntos capturados por el Kinect a 90º

En la Figura 218 se muestra la nube de puntos capturados por el Kinect aproximadamente a 180 [º] Figura 218: Puntos capturados por el Kinect a 180º

212

 

5.4.2 Filtrado de nube de puntos Como se mostró en las Figuras 216 a 217 la nube de puntos necesita ser filtrada, tal como se muestra en la Figura 219. Figura 219: Filtrado de nuve de puntos

5.4.3 Creación de malla En la Figura 220 se muestra la creación de una malla a partir de la nube de puntos. Figura 220: Creación de malla

5.4.4 Unión de mallas En la Figura 221 se observa la unión de mallas para los tres ángulos escaneados por el Kinect. 213

 

Figura 221: Unión de mallas

En la Figura 222 se observa la reconstrucción aplicando una textura típica de la galería. Figura 222: Aplicación de textura a una malla

Es el mismo proceso que se repite para la reconstrucción en los diferentes niveles de  profundidad de la galería.

214

 

CONCLUSIONES  CONCLUSIONES  -  En este proyecto se alcanza satisfactoriamente los objetivos planteados, tanto en la movilidad del VRE como la teleoperación. -  El VRE ingresó y se desplazó de manera satisfactoria en la galería principal de la mina San Luis según el análisis de las dimensiones calculadas. -  El cuerpo del VRE se mantiene fijo y equilibrado gracias a su mecanismo diferencial de barra debido a que cada brazo basculante se encuentra conectado a través de dos  pequeñas barras laterales. -  El sistema de suspensión Rocker-Bogie resulta adecuado para la movilidad del VRE dentro de la galería, ya que se evade obstáculos de hasta 10 [cm] de altura, por lo que la estabilidad y el equilibrio resultaron óptimos. -  Se comprobó que la masa del VRE ayuda a que las ruedas generen mayor tracción sobre el terreno, lo que no ocurría si el robot fuese muy liviano ya que la fuerza de rozamiento disminuiría. -  El VRE supera la pendiente de 30 [°] propuesto en terrenos de superficie granular, para superficies lisas se llega a alcanzar una pendiente de 25 [°]. -  El VRE cuenta con diez motores para su movilidad, seis para el sistema de tracción en cada rueda y cuatro para el sistema de dirección, lo cual hace posible que la navegación del VRE sea aún más eficiente pero incrementa notablemente el costo y su consumo energético. -  El método algebraico/geométrico resulta adecuado para el desplazamiento del brazo robot pese a un reducido espacio de trabajo (consecuencias del diseño estructural). -  Los tipos y cantidades de actuadores empleados en el brazo robot son óptimos para el desplazamiento del mismo. -  Los motorreductores empleados en las ruedas logran ser eficientes, ya que se vence obstáculos mayores a 30 [º]. -  El módulo de RF XBee pro series 2 con una antena de alambre tiene una óptima

cobertura de 12 metros dentro de la galería San Luis en temporada de lluvias. -  La autonomía de las baterías de los dispositivos y del brazo robot, logran tener más tiempo de duración, debido a que el terreno no afecta significativamente a éstas. 215

 

-  La condición ambiental dentro de la galería no afecta significativamente a las tarjetas, ya que las mediciones hechas se encuentran dentro del rango de operación de estas. -  La comunicación serial de la tarjeta Raspberry Pi con el Arduino resulta exitosa empleando un adaptador de niveles lógicos CMOS-TTL. -  La comunicación de los sensores de visión con la tarjeta Raspberry Pi resulta eficiente, ya que se implementa un algoritmo que evita que se detenga el programa ante alguna desconexión o falla de las mismas. -  El sensor de mapeo 3D (kinect) tiene sus limitaciones debido a que no es un sensor  profesional. -  Los

algoritmos

diseñados

para

la

operatividad

del

hardware

funcionan

satisfactoriamente. -  El VRE trabaja en un rango de temperatura de -5 a 45 [°C] y una humedad máxima del 90%.

216

 

RECOMENDACIONES -  Fundir todas las piezas mecánicas del VRE para aumentar la estabilidad mecánica. -  Emplear encoders digitales para evitar el desgaste que sufren los mecanicos. -  Emplear un sensor scaner 3D profesional, para tener mayor espacio de trabajo en la captura de datos 3D, -  Emplear baterías de mayor capacidad y menor peso. -  Estudiar y diseñar antenas de alta ganancia para obtener mayor cobertura del módulo de RF XBee pro series 2. -  Introducir el análisis de protocolos de comunicación inalámbrica en la carrera de Ingeniería Electrónica. -  Implementar una materia para el uso de varias distribuciones Linux (tanto para control como para telecomunicaciones) y software libre, con las que se puede hacer interfases con el hardware. -  Hacer un estudio crítico de masas GND.

217

 

GLOSARIO ACK: Acknowledge  APS: Application Support  BER: Bit Error Rate  CAD: Computer Aided Design  CAP: Contention Access Period  CCA: Clear Cannel Assessment   CCD: Charge Coupled Device  CD: Cinemática Directa  CFP: Contention Free Period CI: Cinemática Inversa  CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor   CPS: Common Part Sublayer   CSMA-CA: Carrier Sense Multiple Access with w ith Collisi Collision on Avoidance  DSP: Digital Signal Processing  DSSS: Direct-Sequence Spread Spectrum  ED: Energy Detection FFD: Full Funtion Device  GFSK: Gaussian Frequency Shift Keying   GTS: Guaranteed Time Slots  HID: Human Interface Device  Progr amming  ICSP: In Circuit Serial Programming

IFS: Interframe Spacing  IP: Internet Protocol 

ISM: Industrial, Scientific And Medical  LOS: Line Of Sight LQI: Link Quiality Indicator 218

 

LR-WPAN: Low-Rate Wireless Persona Area Network MAC: Medium Access Control  MIC: Menssage Integrity Code  MLME MAC: Layer Management Entity MLME-SAP: Mac Layer Management Entity Service Access Point MPDU: MAC Protocol Data Unit MSD: Mass Storage Device  MSDU MAC: Service Data Unit NIB: Network Information Base  NLDE: Network Layer Data Entity NLME: Network Layer Management Entity NLOS: No Line Of Sight  NPDU: Network Protocol Data Unit NSDU: Network Service Data Unit NWK: Network Layer OFMD: Orthogonal Frequency-Division Multiplexing  O-QPSK: Offset Offset –   –  Quadrature  Quadrature Pharse Shift Keying   OS: Operating System  OSI: Open System Interconnection PHY: Physical Layer  Physical cal Laye Layerr Management Entity PLME: Physi PLME-SAP: Servicio De Punto De Acceso A La Entidad De Gestión De Capa Física 

POS: Personal Operating Space  PPDU: Physical Prococol Data Unit PPM: Partículas Por Million  PSD: Position Sensitive Device   PSDU: Physical Service Data Unit

PWM: Pulse Width Modulation  RF: Radio Frecuencia  RFDN: Reduced Function Device 219

 

RS232: Recommended Standard 232  RS485: Recommended Standard 485  RSSI: Received Signal Strength Indication  Rx: Recepción  SAP: Service Access Point SNR: Signal To Noise Ratio TTL: Transistor Transistor Logic   Tx: Transmisión  UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter   uC: Micro Controlador   UHF: Ultra High Frecuency  USB: Universal Serial Bus  VRE: Vehículo Robot Explorador   WLAN: Wireless Local Area Network   WMAN: Wireless Metropolitan Metropolitan Area Network   WPAN: Wireless Personal Area Network ZDO: Zigbee Device Object

220

 

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1]  PULIDO FENTANES, Jaime. Exploración y reconstrucción tridimensional de entornos exteriores mediante robots móviles. Tesis Doctoral (Ingeniero Macartrónico). Valladolid, España: Universidad de Valladolid, Departamento de Ingeniería en Sistemas y Automática, 2012. 149 h.

[2] Sensorstecnics. Sensores y Transmisores [en linea]. 2015 [consulta 31 de febrero de 2015]. Disponible

en:



[3] 

Kumar,

Subir.

Introducción

a

la

robótica

[en

línea].

McGRAW-

HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.: Mexico, 2010. “Capitulo 4: Sistema de visión” [citado el 12 de marzo de 2015]. Disponible en:

[4] TOMASI, Wayne. Propagación de ondas electromagnéticas. En Sus: Sistemas de Comunicaciones Electrónicas (4ta edición). Arizona: Prentice Hall, 2001. P.347-369.

[5]  CALVO, Andrés, BEJARANO, Arley y QUINTERO, Edwin. Introducción [en línea]. Procesamiento de nubes de puntos por medio de la librería PCL, 2012, v. 1, n°1 [citado el 12 de marzo de 2015]. Disponible en:

[6]  Ecured. Cámara Web [en linea]. 2015 [consulta 13 de marzo de 2015]. Disponible en:



221

 

[7]  ALEXANDER, Brayan. Cámara Web [en linea]. 2015 [consulta 02 de junio de 2015]. Disponible en:

[8]  IFIXIT. Xbox One Kinect Teardown [en linea]. 2015 [consulta 02 de junio de 2015]. Disponible en:

[9] AK, D. Raspberry Pi Home Automation with Arduino [en linea]. 2015 [consulta 03 de  junio

de

2015].

Disponible

en:



[10]  Upton, Upton.

Raspberry Pi [en llínea]. ínea]. McGRAW-HILL/INTERAMERICANA

EDITORES, S.A. DE C.V.: Mexico, 2010. http://es.scribd.com/doc/225682222/Raspberry-Pi2010.  http://es.scribd.com/doc/225682222/Raspberry-PiGuia-Del-Usuario-2da-Ed-en-Espanol#scribd.   Disponible en: [citado el 25 junio de 2015]. Guia-Del-Usuario-2da-Ed-en-Espanol#scribd.  Disponible en:

[11]  Cubian. Cubian desktop released [en linea]. 2015 [consulta 03 de junio de 2015]. Disponible en:

[12] KSCAN3D. About KSacn3D [en linea]. 2015 [consulta 09 de junio de 2015]. Disponible en:

[13] ReconstructMe. ReconstructMe for Developers[en linea]. 2015 [consulta 09 de junio de 2015]. Disponible en:

[14] DIGI. XBee[en linea]. 2015 [consulta 11 de junio de 2015]. Disponible en: >= = 2; value 2; // cambia el valor dos posiciones a la derecha value = value ") if '7'== dato: print("Camara 1 trabajando") fc=CamUSB("/dev/video1"); if(fc==4): Tx_imagen() print("Imagen Cam 1 Tx") else: Tx_2Bytes(fc) print("Error cam") print("< TRABAJANDO >") if '6' == dato: print("Camara Depth trabajando") fc=Kinect_Cam_Depth() if(fc==2): Tx_imagen() print("Imagen Depth Tx") else: Tx_2Bytes(fc) print("Error cam") print("< TRABAJANDO >") if '5' == dato: print("Camara UART trabajando") fc=Cam_UART() if(fc==1): Tx_imagen() print("Imagen UART Tx") else: Tx_2Bytes(fc) print("Error cam") print("< TRABAJANDO >") if '4' == dato: print("Acelerometro trabajando") fc=Acel() if(fc==2): Tx_Acel() print("Aceleracion Tx") else: Tx 2Bytes(fc)

print("Error Acelerometro") print("< TRABAJANDO >") if '3' == dato: print("Camara Depth trabajando") fc=Kinect_Cam_data_Depth() if(fc==2): Tx_2Bytes(11) print("Datos Depth guardados") else: Tx_2Bytes(fc)

310

 

print("Error cam") print("< TRABAJANDO >") if '2' == dato: print("Camara depth trabajando") fc=Kinect_Cam_dist_Depth() if(fc==2): Tx_dist() print("Distancia Tx") else: Tx_2Bytes(fc) print("Error cam") print("< TRABAJANDO >") if '0' == dato: print("Comunicacion Exitosa") Tx_2Bytes(12) print("< TRABAJANDO >") Raspi_Serial.close() #Cam_Serial.close() pygame.quit() print("FIN")

C. 10 Programa en Arduino IDLE para la captura de datos del encóder   const int boton1 const  int boton1 = 7; const   int boton2 int boton2 = 8; const int int valor1=1;  valor1=1; int contador=100; int contador=100; int estadoanteriorboton1=1; int estadoanteriorboton1=1; int valor2=1; int valor2=1; int estadoanteriorboton2=1; int estadoanteriorboton2=1; void  setup() void setup() { pinMode(boton1,INPUT pinMode(boton1, INPUT); ); pinMode pinMode(boton2, (boton2,INPUT INPUT); ); Serial.begin(57600); begin(57600); } void   loop() void {

valor1=digitalRead(boton1); valor1=digitalRead (boton1); if if(valor1!=estadoanteriorboton1) (valor1!=estadoanteriorboton1) { if(valor1==0) if(valor1==0) { contador++; Serial .println println(contador); (contador); } } estadoanteriorboton1=valor1;

311

 

valor2=digitalRead(boton2); valor2=digitalRead (boton2); if(valor2!=estadoanteriorboton2) (valor2!=estadoanteriorboton2) if { if(valor2==0) if(valor2==0) { contador--; Serial.println println(contador); (contador); } } estadoanteriorboton2=valor2; }

C. 11 Programa en Arduino IDLE para el control de PWM de los leds const int nd=1; const  int nd=1; unsigned   int int Datos[nd];  Datos[nd]; unsigned unsigned int unsigned  int dato;  dato; int i=0; int i=0; int pinPWM = 13; int pinPWM void  setup() void setup() { Serial1.begin begin(57600); (57600); } void   loop() void { if if( (Serial1.available available()>0) ()>0) { Datos[i]=Serial1.read(); read(); if(i=1) (i=1) if { i=0; dato=Datos[0]; } } analogWrite analogWrite(pinPWM (pinPWM , dato); }

C. 12 Programa en Arduino IDLE para la captura de parámetros ambientales

void void sen(){  sen(){ while (auxdth while (auxdth == 230000){ hum = dht.getHumidity dht.getHumidity(); (); tp = dht.getTemperature dht.getTemperature(); (); (AO))+10; Co= 0.9677*(analogRead 0.9677*(analogRead(AO))+10; Serial.write( write('t'); 't'); Serial.print(tp,1); print(tp,1); Serial.write( write(","); ","); Serial.write( write('h'); 'h'); Serial.print(hum,0); print(hum,0); Serial.write( write(","); ",");

312

 

Serial.write( write('G'); 'G'); Serial.print(Co,1); print(Co,1); Serial.write( write(","); ",");

auxdth = 0; } }

C. 13 Programa en Arduino IDLE para el control del movimiento del VRE   #include "DHT.h"  "DHT.h"  .h> #include 89){ (pos1>89){ if pos1--; s1.write s1. write(pos1); (pos1); write(pos1); (pos1); s2.write s2. sv = 0; } if(pos10){ ps = Serial.read(); read(); switch (ps){ switch (ps){

314

 

case case   'O' 'O': : au=1; break break; ; case'o' 'o': : case au=0; au1=0; break; ; break case case   'R' 'R': : r=1; r1=0; au=2; au1=2; pos2=pos1; i=134; j=135; k=44; l=45; break break; ; case   'r' 'r': : case r=2; r1=0; au=0; au1=0; i=89; j=90; k=89; l=90; break; ; break case case   'P' 'P': : while (ps==  (ps=='P' 'P'){ ){ while pw1 = Serial.read(); read(); pw= char(pw1); char(pw1); if if((pw='.' '.')){ )){ pwm = pwm +pw; } if if (pw1==  (pw1==',' ','){ ){ toInt()); ()); pwv=(pwm.toInt pwv=(pwm. ""; ; pwm="" pwm= ps=0; } } break; break; case case   'l' 'l': : while while (ps==  (ps=='l' 'l'){ ){ pw1 = Serial.read(); read(); pw= char(pw1); char(pw1);

if if((pw< ((pw< 9 )&&(pw> pwm = pwm +pw; } if (pw1== ','){ ){ if (pw1==',' pwm="" pwm= ""; ; ps=0; }

. )){

} break; break; case case   'm' 'm': : while (ps==  (ps=='m' 'm'){ ){ while pw1 = Serial.read(); read(); pw= char(pw1); char(pw1);

315

 

if if((pw='.' '.')){ )){ pwm = pwm +pw; } if (pw1==  (pw1==',' ','){ ){ if pwm="" pwm= ""; ; ps=0; } } break; break; case   'n' 'n': : case while (ps==  (ps=='n' 'n'){ ){ while pw1 = Serial.read(); read(); pw= char(pw1); char(pw1); if if((pw='.' '.')){ )){ pwm = pwm +pw; } if (pw1==  (pw1==',' ','){ ){ if ""; ; pwm="" pwm= ps=0; } } break; } break; } } void sen(){ void sen(){ while (auxdth while (auxdth == 230000){ hum = dht.getHumidity dht.getHumidity(); (); (); tp = dht.getTemperature dht.getTemperature(); Co= 0.9677*(analogRead 0.9677*(analogRead(AO))+10; (AO))+10; Serial.write( write('t'); 't'); Serial.print(tp,1); print(tp,1); Serial.write( write(","); ","); Serial.write( write('h'); 'h'); print(hum,0); Serial.print(hum,0); Serial.write( write(","); ","); Serial.write( write('G'); 'G'); Serial.print(Co,1); print(Co,1); Serial.write( write(","); ","); auxdth = 0; } } void movlib(){ void movlib(){ if(ps== if (ps=='w' 'w'){ ){ ww=1;

ss=0; analogWrite(S1, (S1, 0); analogWrite analogWrite analogWrite(S2, (S2, 0); analogWrite(S3, (S3, 0); analogWrite } if if(ps== (ps=='s' 's'){ ){ ss=1; ww=0; (N1, 0); analogWrite(N1, analogWrite analogWrite analogWrite(N2, (N2, 0); analogWrite(N3, (N3, 0); analogWrite } if if(ps== (ps=='a' 'a'){ ){

316

 

if if (pos1==35){  (pos1==35){ else{ { }else a=1;} } if if(ps== (ps=='d' 'd'){ ){ if(pos1==135){ if(pos1==135){ }else{ else{ b=1;} } if if(ps== (ps=='0' '0'){ ){ a=0; b=0; } if(ps== (ps=='1' '1'){ ){ if ww=0; ss=0; analogWrite(N1, (N1, 0); analogWrite analogWrite analogWrite(N2, (N2, 0); analogWrite(N3, (N3, 0); analogWrite analogWrite analogWrite(S1, (S1, 0); analogWrite analogWrite(S2, (S2, 0); analogWrite analogWrite(S3, (S3, 0); } } void avance  avance (){ void if (ww==1){ if (ww==1){ analogWrite(N1, (N1, pwv); analogWrite analogWrite(N2, (N2, pwv); analogWrite analogWrite analogWrite(N3, (N3, pwv); } if if(ss== (ss== 1){ analogWrite(S1,pwv); analogWrite(S1,pwv); analogWrite analogWrite(S2, (S2, pwv); analogWrite analogWrite(S3, (S3, pwv); } } void ser(){  ser(){ void switch (a){ switch (a){ case case 1:  1: sv++; if if (sv  (sv == 2000){ if(pos1>34){ if (pos1>34){ pos1--; s1.write s1. write(pos1); (pos1); s2.write s2. write(pos1); (pos1); sv = 0;

} if(pos1==35){ if(pos1==35){ a=0; } } } switch switch (b){  (b){ case 1:  1: case sv++; if if (sv  (sv == 2000){ if(pos1i){ if pos1--; s1.write s1. write(pos1); (pos1); sv = 0; } if(pos1i){ if pos4--; write(pos4); (pos4); s4.write s4. sv3 = 0; } if(pos4k){ pos2--; s2.write s2. write(pos2); (pos2); sv1 = 0; } if(pos2k){ pos3--; write(pos3); (pos3); s3.write s3. sv2 = 0; } if(pos3 maxi) { if maxi = fSt; fill(255,0,0); fill(255,0,0); rect(310,642,49,26); rect(310,642,49,26); Sse= nf(fSt, nf(fSt, 2,1); fill(255); fill(255); text(Sse, 318,662); text(Sse, } if if(fSt (fSt < mini) { mini = fSt; fill(255,0,0); fill(255,0,0); rect(368,642,49,26); rect(368,642,49,26); fill(255); fill(255); Sse= nf(fSt, nf(fSt, 2,1); text(Sse, text(Sse, 377,662); } Sse="" Sse= ""; ; i=0; j=0; } }

if (b== 'h'){ ){ if (b=='h' ps = port.read(); se = char(ps); char(ps); if ((se= )&&(se>='.' '.')){ )){ if ((se mouseY > 485) && (mouseY (mouseY <  < 505)) { if (  (mousePressed mousePressed ==  == true true) ) { if if (  (mouseButton mouseButton ==  == LEFT) LEFT) { if fill fill(59,224,68); (59,224,68); stroke(0); stroke(0); rect(60,485,110,20); rect(60,485,110,20); fill(0); fill(0); PFont f PFont f = loadFont loadFont( ("Arial-BoldMT-48.vlw"); "Arial-BoldMT-48.vlw" ); textFont(f, textFont (f, 16); text text( ("enviar", "enviar", 95, 500); if (click==0){ if (click==0){

txt0 = text0.getText(); txt1 = text1.getText(); txt2 = text2.getText(); if (txt0  (txt0 != ""){ ""){ if int int t0au=  t0au=Integer Integer. .parseInt parseInt(txt0); (txt0); port.write('l' port.write( 'l'); ); port.write(t0au+"," port.write(t0au+ ","); ); click++; } if (txt1  (txt1 != ""){ ""){ if int t1au=  t1au=Integer Integer. .parseInt parseInt(txt1); (txt1); int port.write('m' port.write( 'm'); ); ","); ); port.write(t1au+"," port.write(t1au+

324

 

click++; } if if (txt2  (txt2 != ""){ ""){ int t2au=  t2au=Integer Integer. .parseInt parseInt(txt2); (txt2); int port.write('n' port.write( 'n'); ); port.write(t2au+"," port.write(t2au+ ","); ); click++; } } else   if ( if (mouseButton mouseButton ==  == RIGHT RIGHT) ) { } else } } else { else { click=0; fill(60); fill(60); stroke(200); (200); stroke rect(60,485,110,20); rect(60,485,110,20); fill(255); (255); fill PFont PFont f  f = loadFont loadFont( ("Arial-BoldMT-48.vlw"); "Arial-BoldMT-48.vlw" ); textFont(f, 16); textFont(f, text text( ("enviar", "enviar", 95, 500); } else {  { } else click=0; fill fill(30); (30); stroke(0); (0); stroke rect(60,485,110,20); (60,485,110,20); rect fill fill(255); (255); PFont f  f = loadFont( loadFont("Arial-BoldMT-48.vlw" "Arial-BoldMT-48.vlw"); ); PFont textFont textFont(f, (f, 16); text( ("enviar", "enviar", 95, 500); text } if ((mouseX if (( mouseX >  > 830) && (mouseX (mouseX <  < 855) && (mouseY <  < 659)) { (mouseY > mouseY > 627) && (mouseY if if (  (mousePressed mousePressed ==  == true true) ) { if (  (mouseButton mouseButton ==  == LEFT) LEFT) { if fill(59,224,68); (59,224,68); fill stroke(0); stroke(0); ellipse(837, ellipse(837, 641, 18, 18); fill(0); fill(0); PFont f PFont f = loadFont loadFont( ("Arial-BoldMT-48.vlw"); "Arial-BoldMT-48.vlw" ); textFont(f, textFont (f, 13); text text( ("ok", "ok", 830, 646); if (click2==0){ if (click2==0){ txt3 = text3.getText();

if if ((txt3  ((txt3 != "")){ "")){ int t3au=  t3au=Integer Integer. .parseInt parseInt(txt3); (txt3); int port.write('P' port.write( 'P'); ); ","); ); port.write(t3au+"," port.write(t3au+ click2++; } } } else else   if ( if (mouseButton mouseButton ==  == RIGHT RIGHT) ) { } } else { else { click2=0; fill(60); fill(60);

325

 

stroke stroke(200); (200); ellipse(837, ellipse(837, 641, 18, 18); fill(255); fill(255); PFont f  f = loadFont loadFont( ("Arial-BoldMT-48.vlw"); "Arial-BoldMT-48.vlw" ); PFont textFont(f, 13); textFont(f, text text( ("ok", "ok", 830, 646); } } else { else { click2=0; fill fill(30); (30); stroke stroke(0); (0); ellipse(837, (837, 641, 18, 18); ellipse fill fill(255); (255); PFont f  f = loadFont( loadFont("Arial-BoldMT-48.vlw" "Arial-BoldMT-48.vlw"); ); PFont textFont textFont(f, (f, 13); text text( ("ok", "ok", 830, 646); } if (( mouseX >  > 655) && (mouseX (mouseX <  < 671) && if ((mouseX (mouseY <  < 637)) { (mouseY > mouseY > 624) && (mouseY if if (  (mousePressed mousePressed ==  == true true){ ){ if if((chck==0)&&(ch==2)){ ((chck==0)&&(ch==2)){ if if(ach1==0){ (ach1==0){ PImage cb  cb = loadImage loadImage( ("tick-on.png" "tick-on.png"); ); PImage image(cb,655,624,14,14); (cb,655,624,14,14); image port.write("O" port.write( "O"); ); chck=1; ch=0; ach2=1; } } if if((chck==1)&&(ch==2)){ ((chck==1)&&(ch==2)){ PImage c  c = loadImage loadImage( ("tick-off.png"); "tick-off.png"); PImage image image(c,655,624,14,14); (c,655,624,14,14); port.write("o" port.write( "o"); ); chck=0; ch=0; ach2=0; } } else{ else{ ch=2; } } if (( mouseX >  > 655) && (mouseX (mouseX <  < 671) && if ((mouseX (mouseY > mouseY > 642) && (mouseY (mouseY <  < 655)) { if ( if  (mousePressed mousePressed ==  == true true){ ){ if if((chck1==0)&&(ch==2)){ ((chck1==0)&&(ch==2)){

if if(ach2==0){ (ach2==0){ PImage cb  cb = loadImage loadImage( ("tick-on.png" "tick-on.png"); ); PImage image image(cb,655,642,14,14); (cb,655,642,14,14); "R"); ); port.write("R" port.write( chck1=1; ch=0; ach1=1; } } if if((chck1==1)&&(ch==2)){ ((chck1==1)&&(ch==2)){ PImage c  c = loadImage loadImage( ("tick-off.png"); "tick-off.png"); PImage image image(c,655,642,14,14); (c,655,642,14,14); "r"); ); port.write("r" port.write(

326

 

chck1=0; ch=0; ach1=0; } } else{ else{ ch=2; } } if ((mouseX if (( mouseX >  > 663) && (mouseX (mouseX <  < 675) && (mouseY <  < 675)) { (mouseY > mouseY > 660) && (mouseY if (  (mousePressed mousePressed ==  == true true){ ){ if if if(ch==2){ (ch==2){ PImage cb  cb = loadImage loadImage( ("ph-on.png" "ph-on.png"); ); PImage image image(cb,663,660,14,14); (cb,663,660,14,14); PImage PImage c  c = loadImage loadImage( ("ph-off.png"); "ph-off.png"); image(c,663,678,13,13); (c,663,678,13,13); image image image(c,753,660,13,13); (c,753,660,13,13); image(c,753,678,13,13); (c,753,678,13,13); image ch=0; println println( ("Camara 1"); 1"); } }else{ else{ ch=2; } } if ((  ((mouseX mouseX >  > 753) && (mouseX (mouseX <  < 765) && if (mouseY <  < 675)) { (mouseY > mouseY > 660) && (mouseY if if (  (mousePressed mousePressed ==  == true true){ ){ if(ch==2){ (ch==2){ if PImage PImage cb  cb = loadImage loadImage( ("ph-on.png" "ph-on.png"); ); image(cb,753,660,14,14); (cb,753,660,14,14); image PImage PImage c  c = loadImage loadImage( ("ph-off.png"); "ph-off.png"); image image(c,663,678,13,13); (c,663,678,13,13); image(c,663,660,13,13); (c,663,660,13,13); image image image(c,753,678,13,13); (c,753,678,13,13); ch=0; println( ("Camara 3"); 3"); println } }else{ else{ ch=2; } } if if ((  ((mouseX mouseX >  > 663) && (mouseX (mouseX <  < 675) && (mouseY > mouseY > 678) && (mouseY (mouseY <  < 693)) { if if (  (mousePressed mousePressed ==  == true true){ ){

if(ch==2){ if (ch==2){ PImage cb  cb = loadImage loadImage( ("ph-on.png" "ph-on.png"); ); PImage image image(cb,663,678,14,14); (cb,663,678,14,14); PImage c  c = loadImage loadImage( ("ph-off.png"); "ph-off.png"); PImage image image(c,753,660,13,13); (c,753,660,13,13); image image(c,663,660,13,13); (c,663,660,13,13); image image(c,753,678,13,13); (c,753,678,13,13); ch=0; println( ("Camara 2"); 2"); println } }else{ else{ ch=2; }

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} if ((  ((mouseX mouseX >  > 753) && (mouseX (mouseX <  < 765) && if (mouseY > mouseY > 678) && (mouseY (mouseY <  < 693)) { if (  (mousePressed mousePressed ==  == true true){ ){ if if if(ch==2){ (ch==2){ PImage PImage cb  cb = loadImage loadImage( ("ph-on.png" "ph-on.png"); ); image(cb,753,678,14,14); (cb,753,678,14,14); image PImage PImage c  c = loadImage loadImage( ("ph-off.png"); "ph-off.png"); image image(c,753,660,13,13); (c,753,660,13,13); image(c,663,660,13,13); (c,663,660,13,13); image image image(c,663,678,13,13); (c,663,678,13,13); ch=0; println( ("Camara 4"); 4"); println } }else{ else{ ch=2; } } } void figura(){  figura(){ void strokeWeight(2); strokeWeight(2); stroke stroke(0); (0); fill(106,123,224); (106,123,224); fill rect(0,380,220,329); (0,380,220,329); rect fill fill(255,0,0); (255,0,0); strokeWeight strokeWeight(2); (2); rect(20,395,190,115); (20,395,190,115); rect fill(30); (30); fill strokeWeight strokeWeight(3); (3); ellipse(115, (115, 610, 180, 180); ellipse beginShape beginShape(POLYGON); (POLYGON); fill(80); fill(80); strokeWeight strokeWeight(3); (3); stroke stroke(60); (60); vertex(85,530); (85,530); vertex vertex vertex(145,530); (145,530); vertex(145,580); (145,580); vertex vertex(195,580); (195,580); vertex vertex vertex(195,640); (195,640); vertex vertex(145,640); (145,640); vertex vertex(145,690); (145,690); vertex vertex(85,690); (85,690); vertex vertex(85,640); (85,640); vertex vertex(35,640); (35,640); vertex vertex(35,580); (35,580); vertex vertex(85,580); (85,580);

vertex(85,530); vertex(85,530); endShape( ( ); endShape stroke(stroboton); stroke(stroboton); strokeWeight(2); (2); strokeWeight fill fill(boton); (boton); rect rect(95,540,40,40); (95,540,40,40); rect rect(95,640,40,40); (95,640,40,40); rect(45,590,40,40); (45,590,40,40); rect rect(145,590,40,40); (145,590,40,40); rect fill fill(220); (220); rect(220,100,640,480); (220,100,640,480); rect strokeWeight strokeWeight(1); (1); stroke(strotri); (strotri); stroke

328

 

fill fill(tri); (tri); triangle(105, (105, 560, 115, 550, 125, 560); triangle triangle(105, 660, 115, 670, 125, 660); triangle(105, triangle(65, triangle(65, 600, 55, 610, 65, 620); triangle(165, 600, 175, 610, 165, 620); triangle(165, fill(70); fill(70); strokeWeight(2); (2); strokeWeight stroke stroke(0); (0); rect rect(220,580,640,130); (220,580,640,130); fill(106,123,224); (106,123,224); fill rect rect(225,590,200,110); (225,590,200,110); rect(435,590,200,110); (435,590,200,110); rect rect rect(645,590,210,110); (645,590,210,110); fill(30); (30); fill rect rect(230,595,190,20); (230,595,190,20); rect rect(440,595,190,20); (440,595,190,20); rect(440,648,190,20); (440,648,190,20); rect rect rect(650,595,200,20); (650,595,200,20); fill(boton); (boton); fill rect rect(650,620,200,75); (650,620,200,75); rect rect(791, (791, 632, 33, 18); fill fill(255,0,0); (255,0,0); stroke(0); (0); stroke strokeWeight(2); (2); strokeWeight rect rect(230,662,49,26); (230,662,49,26); rect rect(230,622,49,26); (230,622,49,26); rect(310,642,49,26); (310,642,49,26); rect rect(368,642,49,26); (368,642,49,26); rect rect rect(450,620,49,24); (450,620,49,24); rect(450,672,49,24); (450,672,49,24); rect } void void grafic(){  grafic(){ noFill(); noFill(); stroke(0); (0); stroke strokeWeight strokeWeight(3); (3); rect(900,100,360,560); (900,100,360,560); rect strokeWeight(1); (1); strokeWeight stroke stroke(180); (180); line line(920,100,920,670); (920,100,920,670); line line(940,100,940,670); (940,100,940,670); line line(960,100,960,670); (960,100,960,670); line line(980,100,980,670); (980,100,980,670); line line(1000,100,1000,670); (1000,100,1000,670); line line(1020,100,1020,670); (1020,100,1020,670); line line(1040,100,1040,670); (1040,100,1040,670);

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text( "23", text("23", text( "24", text("24", text("25", text( "25", text("26", text( "26", text("27", text( "27", text( "28", text("28",

875, 875, 875, 875, 875, 875,

225); 205); 185); 165); 145); 125);

330

 

textFont textFont(f, (f, 15); text( "ºC", 880, 110); text("ºC", textFont(f, 16); textFont(f, fill(255); fill(255); text text( ("Coordenadas del BR ", ", 35, 415); text("X", text( "X", 55, 445); text( "Y", 110, 445); text("Y", text("Z", text( "Z", 165, 445); text("Temperatura ", text( ", 280, 610); text( ", 500, 610); text("Humedad ", text("OPCIONES ", text( ", 710, 611); text( Carbono", 453, 664); text("Monoxido de Carbono", fill(0); fill(0); text( ("ºK", "ºK", 282, 643); text text("ºC", text( "ºC", 282, 683); text("MaxºC", text( "MaxºC", 310, 638); text( ("MinºC", "MinºC", 368, 638); text text text( ("%", "%", 502, 640); text( "ppm", 502, 690); text("ppm", textFont(f, 13); textFont(f, text("Autonomía", text( "Autonomía", 670, 636); text("Rotacional", text( "Rotacional", 670, 654); text( 1", text("Cámara 1", text( 2", text("Cámara 2", text("Cámara 3", text( 3", text("Cámara 4", text( 4", text( "PWM", 757, text("PWM",

680, 672); 680, 690); 770, 672); 770, 690); 647);

} void reloj(){ void reloj(){ fill(245); fill(245); noStroke noStroke(); (); rect(1165,10,100,50); rect(1165,10,100,50); fill fill(0); (0); PFont PFont f  f = loadFont loadFont( ("Arial-BoldMT-48.vlw"); "Arial-BoldMT-48.vlw" ); textFont(f, textFont(f, 16); int s = second(); int s second(); int m minute(); int m = minute(); int h hour(); int h = hour(); String String t  t = nf nf(h,2) (h,2) + ":" ":" +  + nf(m,2) nf(m,2) + ":" + ":" + nf nf(s,2); (s,2); text(t, text(t, 1190, 30); int int d  d = day(); day(); int mes int  mes = month(); month(); int y int y = year(); year(); String String fch  fch = nf nf(d,2) (d,2) + "/" "/" +  + nf nf(mes,2) (mes,2) + "/" + "/" + nf nf(y,4); (y,4); text text(fch, (fch, 1174, 50); }

public public   void handleTextEvents(GEditableTextControl void handleTextEvents(GEditableTextControl textarea, GEvent event) { }

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