Diferencia entre revisiones de «Robot omnidireccional»

Revisión del 03:19 16 jun 2015

Un robot omnidireccional, también conocido como holonómico, es un tipo de robot móvil con ruedas, cuya configuración le permite desplazarse en cualquier dirección sin la necesidad de alcanzar previamente una orientación específica. Es decir, es capaz de realizar movimientos en cualquiera de las componentes del plano, bien sean traslaciones (hacia adelante, en reversa, laterales) o rotaciones, a partir de un estado de movilidad. Todo ello, a expensas de un mayor grado de complejidad en su manejo.

Para un robot omnidireccional es imperativo contar con al menos tres ruedas activas en su haber. Es entonces un punto importante del diseño la decisión de cuántas ruedas emplear. Cada una de las ruedas proporciona al robot una fuerza normal al eje del motor y paralela a la superficie sobre la cual se desplaza. La suma de ellas permite la traslación y rotación de la estructura. Por lo general, presentan una configuración mecánica de tres o cuatro ruedas. El primero es mecánicamente más simple que el segundo. No obstante, este último permite una mayor aceleración al robot.

Los robots de cuatro ruedas tienen más tracción que los de tres, pues se adiciona la potencia entregada por el motor adicional. Lo cual se traduce a menos deslizamiento en las ruedas si el peso de la carga se encuentra distribuida uniformemente sobre ellas, un mayor consumo de energía, costo y posiblemente, la necesidad de incorporar un sistema de suspensión para distribuir las fuerzas sobre las ruedas.

Modelo Cinemático

El modelo cinemático permite la descripción analítica del movimiento de un cuerpo, con respecto a un sistema de referencia, en función del tiempo. Se puede predecir el comportamiento del robot, al conocer las variables que se pueden controlar o manipular. Existen dos maneras de resolver la cinemática del robot, la primera se conoce como el problema cinemático directo y consiste en determinar el desplazamiento y posición del robot mediante la velocidad angular de las ruedas; el segundo se denomina problema cinemático inverso, se obtiene la velocidad angular de los motores, a partir del desplazamiento y posición del robot respecto a la referencia

Robot Ovni

Ovni es un robot omnidireccional de cuatro ruedas producto de una tesis de pregrado desarrollada en el Grupo de Investigación y Desarrollo en Mecatrónica USB como prototipo simple de los robots que se esperan desarrollar en la Agrupación FutBot USB para participar en distintas competencias de robótica nacionales e internacionales, tales como RoboCup, LARC, entre otras.

El robot Ovni está equipado para ser teleoperado hasta una distancia probada de 41.61 metros sin obstáculos. No obstante, el alcance puede ser mucho mayor debido a la utilización de módulos XBee PRO S2 como medio de comunicación. Los desplazamientos que puede realizar son rotación sobre su propio eje y traslación simple en cualquier dirección del plano, es decir, sin la necesidad de orientarse a un estado inicial para alcanzar un punto de destino cualquiera.

La interfaz de control con la cual se opera el robot se encuentra desarrollado en lenguaje Python sobre la plataforma ROS (Robot Operative System), de este modo las tareas están divididas en nodos que se ejecutan de forma paralela y se comunican entre sí mediante mensajes estandarizados. Esto facilita la cooperación entre distintos desarrolladores, otorgándole diversidad a su entorno.

Componentes

Físicamente, el robot omnidireccional Ovni está compuesto por una placa de alumunio, la cual funge como chasis o estructura de soporte. A su alrededor se disponen cuatro motores DC de 12V "HN-GH12-2413T", equidistantes entre sí, cada uno acoplado a un codificador rotatorio o encoder E4P y una rueda omnidireccional o sueca de seis rodillos. En la cavidad que queda entre ellos, se encuentra la batería central que alimenta todo el sistema electrónico, en este caso de 7.2V, esta puede ser sustituida por otra que cumpla con los parámetros de la hoja de especificaciones del robot.

Del chasis salen cuatro tornillos largos con los cuales se sustenta una lámina de acrílico, que actúa como base para las dos tarjetas que componen el sistema electrónico. La primera placa contiene la entrada de la batería, el sistema de alimentación (regulación a 5V "LM2940"), los drivers "L298P" para manejar los motores con su respectiva conexión a ellos y los sensores de corriente "ACS712" para detectar situaciones de emergencia. En la segunda capa se encuentran las conexiones para el microcontrolador MCF51AC256 y su acondicionamiento, la entrada de las señales provenientes de los encoders y la etapa de comunicación, empleando módulo XBee PRO S2.

Funcionamiento

A través de la interfaz, que actúa como una palanca de mando o joystick virtual, el usuario puede manejar el robot con el mouse de la computadora. Presionando el botón derecho del mismo sobre el campo de movimiento y arrastrándolo la figura se le indica al robot en que dirección debe trasladarse. Mientras que al hacerlo sobre las fechas de los extremos u oprimiendo la tecla de derecha o izquierda, se le ordena que rote sobre su propio eje. Al dejar de oprimir el botón principal del mouse, el robot se detiene sobre la pista. Así mismo, debido al uso de ROS en el sistema, es posible controlar al robot mediante una aplicación de teléfono Android, llamada "Teleop", desarrollada por un tercero. En este caso, sólo se requiere indicar la dirección IP del equipo que esté ejecutando a interfaz de control.

Además, mediante la interfaz el usuario puede conocer algunos parámetros de funcionamiento del robot, tales como la magnitud de corriente a través de cada uno de los motores, el número de pulsos por segundo generados por los codificadores rotatorios acoplados a cada una de las ruedas y con ello la velocidad de cada una para fines de realizar una posterior etapa de control. En caso de ocurrir alguna falla relacionada con sobrecorriente por al menos un segundo, en alguno de los motores, notifica al operador con un aviso en pantalla y directamente en el motor se genera un estado de emergencia que desactiva los motores para disminuir el riesgo de daño en los mismos.

Especificaciones Técnicas

Protocolo de Pruebas

A continuación se presenta un algoritmo de pruebas a realizar en el sistema electrónico del robot omnidireccional de cuatro ruedas "Ovni" para la verificación de la operatividad de cada unas de etapas que la conforman. Se recomienda realizarlo en el orden especificado cada vez que opere el robot para así disminuir el riesgo de propagación de daños, en caso de que se presente alguna falla en un componente puntual y a su vez identificarlo de forma simple para proceder a su reparación o reemplazo.

Estado general

Este apartado presenta las pruebas básicas que deberían ser realizadas cada vez que se opere el robot. Las mismas son imperativas en los casos en que se hayan desmontado las tarjetas electrónicas o los dispositivos conectados a ellos, tales como el microcontrolador, el XBee PRO S2, el conector de la batería o los codificadores rotatorios. Su ejecución podría, al menos, salvaguardar los dispositivos de una avería por cortocircuito o una polarización inversa. Mantenga la batería desconectada del robot hasta que se indique.

1. Desconecte los dispositivos periféricos (microcontrolador, XBee y codificadores rotatorios) de la tarjeta superior y desmontela de la tarjeta base (doble capa).
2. Verifique con atención que no existan pistas de cobre rotas y que entre ellas no se encuentren trozos de cable sueltos o partículas que las ponga en contacto de forma indebida en ambas tarjetas y caras. Caso contrario, consulte el diagrama del PCB para su reparación.
3. Revise que el cable con el conector de la batería se encuentre debidamente atornillada a los terminales de entrada del sistema. Esto es cable negro conectado a la terminal cercana al extremo de la tarjeta base como se indica en la figura.
4. Asegúrese que los jumpers se encuentren conectados, tal como indica la figura. Esto conecta las salidas de los puentes a los sensores de corriente, de este modo se activa su monitoreo y sistema de protección.
5. Conecte la batería y pase el interruptor para encender el dispositivo. El led (rojo) de la tarjeta base debe prenderse. Caso contrario verifique la carga de la batería, podría estar descargada.
6. Verifique el voltaje de la alimentación de potencia y lógica de ambos drivers del sistema. Esto es colocar la punta roja del multímetro al pin 6 del L298P y la negra en el terminal de entrada conectada al cable negro, en este caso debe señalar una magnitud igual al valor nominal de la batería. Realizar procedimiento similar, cambiando del pin 6 al pin 12 y manteniendo la referencia, debe marcar 5V. Caso contrario compare con el diagrama del PCB, es posible que exista un inconveniente con alguna pista o un condensador de bypass haya resultado dañado.
7. Apague el sistema y conecte la tarjeta superior sobre la base. Recuerde que existen dos hileras de conectores uno de 2x4 y otro de 2x6. Asegúrese de que no quede ningún pin por fuera.
8. Proceda a medir continuidad. Los terminales 25, 57, 67 y 71 deben ser continuos entre sí, al igual que los terminales 26, 56, 66 y 72. Estos corresponden a Vcc y tierra, respectivamente. La enumeración se muestra en la figura ,donde la flecha corresponde al punto donde se encuentra el único pulsador de la tarjeta.
9. Nuevamente, encienda el sistema. El led verde de la tarjeta superior debe estar encendido al igual que el led rojo del nivel inferior. Mida el voltaje entre un pin de cada uno de los grupos mencionados en el paso anterior. La medida debe ser aproximadamente 5.0V.
10. Repita el paso anterior en la conexión del XBee, coloque la sonda negra con el primer pin (en el extremo de la tarjeta) y la roja con que el segundo del conector correspondiente. La salida debe mostrar 5.0V.
11. Pase el interruptor y apague el sistema. Conecte el microcontrolador y asegúrese de que la flecha blanca de éste apunte hacia el pulsador.
12. Conecte el XBee, la tarjeta con regulador le indica el pin de "GND", éste debe conectarse al primer pin del conector en la tarjeta.
13. Conecte los codificadores rotatorios. El conector es 2x2, los dos pines más cercanos a la tarjeta corresponden a tierra, así del E4P, el molex con los cables rojo y negro se conectan e ellos dos, manteniendo la abertura con metal hacia arriba.
14. Conecte el segundo XBee Pro S2 a la computadora, habilite el puerto en caso de requerirlo y ejecute el programa que contiene la interfaz de control. Pase el interruptor y encienda el robot. Espere a que la luz etiquetada como RSSI del XBee del robot se prenda.
15. Use el mouse de la computadora y su botón derecho para arrastrar el circulo blanco u oprimir las flechas a los lados. Emplee las teclas izquierda y derecha del teclado o su joystick en el teléfono. El robot debe desplazarse en la dirección indicada.

Etapa de Control

Etapa de Comunicación

Etapa de Potencia

Comunicación con el operador