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Comunicación inalámbrica por medio del
Protocolo ZigBee para la manipulación de un brazo Robótico
Héctor Fabio Jiménez
Facultad Tecnologías, Tecnología Eléctrica
Proyecto de Grado para optar al Título de Tecnólogo en Electricidad
Ing. Santiago Gómez Estrada
Santiago Gómez Estrada
Sigilfredo Arregocés Ocampo
Pereira, 19 de noviembre de 2014
“Gracias a Dios. a mi compañera de proyecto por permitirme ingresar en tan valiosa experiencia. Ana. Los sueños hechos realidad son la combinación entre persistencia. disciplina y pasión." Ana María . y a ellos porque no hubiera podido ser esto posible.” Héctor Fabio “Aun cuando parecía desfallecer siempre encontré en ellos el aliento y los consejos que me dieron la fuerza para continuar en este proceso. A mi madre porque todo lo que soy y tengo se lo debo a su dedicación. mis padres Héctor. A mi compañero Héctor por su disciplina y perseverancia que hicieron posible finalizar este ambicioso y extraordinario proyecto de grado. Gracias a mis padres. Beatriz por su apoyo y amor incondicional. a mis hermanas Leidy. esfuerzo y trabajo. hermanos y toda mi familia que siempre me apoyaron y nunca dejaron de creer en mí. Cindy que depositaron su confianza en mí y tienen infinita paciencia.
. y culminar satisfactoriamente nuestros estudios. su apoyo y constante crítica en este largo y arduo camino. por sus orientaciones. y nuevas ideas. . Al profesor Santiago Gómez Estrada por guiarnos y apoyarnos académicamente y moralmente durante el desarrollo y finalización del proyecto. innovación y extensión por permitirnos. los fondos para hacer realidad nuestro proyecto. A nuestros compañeros por su acompañamiento. A la Universidad Tecnológica de Pereira. Al profesor Sigilfredo Arregocés por sus consejos e ideas compartidas. Vicerrectoría de investigaciones. experiencias compartidas y todos sus conocimientos en esta área que nos guiaron por el camino correcto. Al profesor Edison Duque.Queremos dar nuestros más sinceros agradecimientos: Al profesor Jhon Jaime Robby Góez por el acompañamiento académico que nos brindó durante la realización de este proyecto además de sus orientaciones.
en un ciclo de investigación en esta Universidad. mientras cursamos nuestra carrera. la fuente siempre se da. siempre se cita. Ana María Gil.  Cuando hemos consultado el trabajo publicado por otros.Declaración de autoría Nosotros.  Dónde hemos citado el trabajo de los demás.  Cuando la tesis se basa en el trabajo realizado por nosotros con ayuda de otros como los asesores de proyecto. Con la excepción de las citas. esto ha sido claramente establecido. esta tesis es enteramente nuestro propio trabajo. declaramos que esta tesis titulada. Firmado: Fecha: . “Comunicación inalámbrica por medio del protocolo ZigBee para la manipulación de un Brazo Robótico” y el trabajo presentado aquí es nuestro. Héctor Fabio Jiménez. y atribuye claramente.  Hemos reconocido las principales fuentes de ayuda.  Cuando cualquier parte de esta tesis ha sido previamente sometida a un título o cualquier otra titulación en esta universidad o cualquier otra institución. Confirmamos que:  Este trabajo se llevó a cabo total o parcialmente. hemos dejado claro exactamente lo que se hizo por los demás y lo que hemos contribuido nosotros mismos.
15. control de servomotores y por último aplicar técnicas para la formulación de algoritmos mediante las diferentes estructuras de control y su codificación en un lenguaje de alto nivel. por medio de microcontroladores de gama alta. La metodología utilizada consiste en el análisis y documentación del protocolo de comunicación. Este proyecto tiene como objetivo implementar el protocolo de comunicación inalámbrica 802. . conversión análoga digital de una señal. herramientas o dispositivos especializados son cada vez más usados.UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA Resumen Facultad de Tecnología Programa de Tecnología Eléctrica Tecnólogo en Electricidad Comunicación inalámbrica por medio del protocolo ZigBee para la manipulación de un brazo Robótico Por Ana María Gil. XBee serie 1 para la manipulación de un brazo robótico a través de un joystick. Haciendo uso de esa tecnología realizamos un prototipo que no solo es de mucha utilidad a nivel industrial sino que representa un desafío a nivel educativo. generando una oportunidad de aprendizaje invaluable.4 mediante el uso de los módulos XBee Pro. piezas. Héctor Fabio Jiménez Los sistemas robóticos programables y multifuncionales diseñados para mover materiales.
...............1 Definición ........................ 21 1..........8.............1......1...........2 Principios de funcionamiento ...................................... 29 1...................................................................................1.........................1...................................................... INTRODUCCIÓN ...........................................1 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA .....4 MICROCONTROLADOR....... 31 1................................1 Definición ....................2..........1................................................................................................... 35 ................. 22 1...........1 Información hardware tarjeta SSC-32...............2 Transmisión . 32 1..................................................1...................................................1.............................................................................4 XBee Series 1 ...............................1.......................................................................................................................................................... 28 1.................. 20 1..1............................................ 20 1...8....3 TARJETA DE CONTROL DE SERVOMOTORES SSC-32 ..... 29 1................................................................8..................................... 15 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA . 35 1... 23 1................. 26 1.........................................................................4.............5 XBee Series 2 ..................................................................................... 20 1.......................................................3 Tipologías ..................................................................................................................................... 27 1................2 SERVOMOTORES .1 Recepción.......................CONTENIDO Pág....................................................................1......... 26 1............................1 Definición ...............................1......................................................................................3 Bajo Consumo..............8..........................................................4 Comando ..3...........................6 Tipos de Antena ................................................. ELEMENTOS EMPLEADOS ...........................................................................................2............. 24 1.........................8 Modos de Operación ............. 22 1..... 19 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..........................................................2 Módulos XBee .......... 31 1.............7 Topologías de Red............................................... 26 1....................................... 17 OBJETIVOS .............................................................. 30 1...................... 19 OBJETIVO GENERAL ...............1......................................3 Características del módulo XBee ........................................................................................................... 20 1...2............................. 19 1......
......................2 PRUEBAS DE COMUNICACIÓN .....................................6..................... 54 3..........................................................................................................................................................6.............................. 43 1................................................. 38 1...................... 56 3................................................ 36 1.........4.......... 50 2..............................1 Grados de libertad .............................XBee-Pc ......................................................XBee-SSC32 ........................................................................... 60 ....................................................... 44 1.........................................................4... 46 ROBÓTICA ................................................................3 MODO COMANDO ................................ 37 1..2 Arquitectura Interna Microcontroladores ...........................4.. 50 2........3 Tipos de baterías LiPo ...............2 Ventajas y desventajas de las baterías (LiPo) .......................................................................................2 Pc XBee ....... 51 3.......................... 1.... 50 2.........................................6..........................................4 Usos ................................................4.. 46 1.......... 56 3.........4...................................2..........2........................... 54 3.............. 38 1..............6....... 45 2......3 Problema cinemático inverso: ................................. 57 3........................................................5......................................................................3 CINEMÁTICA DEL ROBOT ........................................4..............................................................5 Cargador baterías LiPo ........................... 46 1.......... 49 2.................3............................. 43 1.....................................................................................................2 Características generales de los joysticks .............. 47 2.......2 MORFOLOGÍA DEL ROBOT ........................................................ 45 1...........................................1 Microcontrolador PIC18F4550 ....................... 58 3................4............................................5 JOYSTICK ......5..........1 Baterías de polímero de litio (LiPo) .. 47 2.2..........6 BATERÍAS ............ 59 4........................3................................1 Cinemática del robot: ..........1 ORIGEN Y DESARROLLO DE LA ROBÓTICA .......................................6......1......3 Partes del joystick ..... 58 3.4 Microcontrolador-XBee-XBee-SSC32 ..... 43 1........................3......1 DISEÑO DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA ...................................................................................................................................................................................................................2 Organización de memoria PIC18F4550 ............. 44 1............5..............3 Familias de microcontroladores PIC ...................... 48 2................................2...................2 Problema cinemático directo: ................................................................................ CARACTERÍSTICAS DE LA COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CON MÓDULOS XBEE ............ 45 1.1 Pc-XBee ..............3 Pc-XBee............... CARACTERÍSTICAS DEL BRAZO ROBÓTICO ......4 Microcontroladores PIC18 ................1 Definición ..........2...
.................................1 CIRCUITOS IMPRESOS ................. 83 6................................1 Manejo de las señales análogas................ CARACTERÍSTICAS DEL JOYSTICK ...................... 90 7.......3........ 115 ................................1 COMPILADOR ............................................................................................................................................................................................................................. 87 7.........1.....4.............. 81 6...................................................4 PICKIT 3 .............................................................. 104 ANEXO 1 . 87 7................2..................................................... 85 7...1 ANÁLISIS Y CONTROL DEL BRAZO ROBÓTICO ................................................................2............................................................................ 76 IMPLEMENTACIÓN DE SOFTWARE Y LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN ......... DISEÑO ELECTRÓNICO Y CIRCUITOS IMPRESOS........................................................... ......................................................... ............... 93 RESULTADOS ......................2 SOFTWARE DE DISEÑO ..... 103 10.....................................1..2.....................................................................................................................1 Calculo IPC2221 ..................................................................................................... 73 6......................3 REALIZACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS .............1 MPLAB X ....3 LIBRERÍA ESTÁNDAR ..................... CONCLUSIONES ........................................ 84 6................................................ 5......2 RESULTADO FINAL ..... 88 7............................3 LENGUAJE TARJETA SSC-32 ........... 99 9...................................1.....................1 PROBLEMAS ENCONTRADOS ...............1 8.................................................................................2 LENGUAJE C ................2 PREPROCESADOR ................................................................. 111 ANEXO 3 ............................................................................................................................................................... 81 6............................................................................................................. 98 8...................................................................... 64 5.................................................. 83 6............. 93 7..........................1 INTERFAZ JOYSTICK-MICROCONTROLADOR .............. 70 5........................................................................ 74 5............................................... 83 6....... 84 6............. BIBLIOGRAFÍA .... Método Artesanal: ..................................................... 106 ANEXO 2 ..................................................2 Manejo de las señales digitales............ 98 8..............
.. 51 Figura 32: Representación en el eje de coordenadas de un brazo robótico....................................................................... 32 Figura 12: Conexión jumper para DB9 ................ 35 Figura 14: Micro controlador ....................................................................................... ................................................................................................................................................ botones y gatillo.. 20 Figura 2: Diferentes tipos de antenas de los módulos XBee .......... 41 Figura 21: Diagrama bloque recepción EUSART.... d) circuito de control.................................................................. 36 Figura 15: Arquitectura Harvard microcontroladores ................. 44 Figura 25: Partes de un joystick .................. b) motor DC............................................ 49 Figura 30: Cinemática del robot.................................... 42 Figura 24: Joystick marca Logitech®...................... 27 Figura 5: Ejemplo trama de envío modo AT........................... 44 Figura 26: Batería Polímero litio ion 1500 11.... ........ 40 Figura 20: Diagrama bloque transmisión EUSART......... 24 Figura 3: Topologías de una red ZigBee................................................................. 30 Figura 8: Pulsos PWM para controlar servos ............. e) tren reductor...................... conector USB............................. 42 Figura 23: Características Eléctricas PIC18F4550 ............................................... 37 Figura 16: Diagrama de pines PIC18F4550................................................... 39 Figura 18: Diagrama del reloj interno del PIC18F4550..................................................................................................................... 49 Figura 29: Estructuras mecánicas frecuentes en robots industriales .......................... ........................................... modelo Extreme 3D Plus......... 41 Figura 22: Lógica Interna Interrupciones PIC18F4550 .............. ........................................................................................................................................................................ 39 Figura 17: Arquitectura interna PIC18F4550 ...................................................... ....................................... 40 Figura 19: Diagrama del bloque A/D............................ 29 Figura 7: Colores de los cables de los principales fabricantes de servos........................ ....................... con palanca....................................................................... ............................................................................................................... 50 Figura 31: Funciones de posición y ángulos de desplazamiento del brazo.........LISTA DE FIGURAS Pág.................................................................................................. 30 Figura 9: Controlador SSC-32 ......... ........................... 32 Figura 11: Diagrama hardware tarjeta SSC-32 ....................................... 28 Figura 6: Componentes de un servo: a) carcasa.. c) potenciómetro.................. 31 Figura 10: Elementos de la controladora SSC-32 ................. 25 Figura 4: Configuración interna del XBee para transmisión de datos............................ Figura 1: Módulos XBee . 45 Figura 27: Cargador iMax B6 ...... f) brazo (elemento terminal en el eje)..................................................... 46 Figura 28: Tipos de articulaciones para robots .. ...................................................... 35 Figura 13: Conexión de jumper para nivel TTL............................ 51 ..... ..... .................. ....................................................................................................................................1V ...................
..... 75 Figura 58: Diagrama de conexión teclas digitales al micro controlador........................ 72 Figura 52: Identificación e independización de las teclas de la palanca y el potenciómetro de la muñeca..... 67 Figura 47: Joystick con conexión USB............................ 71 Figura 50: Identificación e independización de cada una de las teclas de la base........................ 82 Figura 62: Trama para el envío de movimientos a los servomotores. Eagle Cadsoft..................... Externas........................... 63 Figura 45: Diagrama de flujo para el movimiento de los servomotores.. ........................................................................................ 60 Figura 43: Conexión de los servomotores a la tarjeta SSC-32........................... ..............Figura 33: XBee Serial Explorer V12................................ usando computador.......................................................................... 59 Figura 41: Brazo o manipulador AL5A ..................................................... 57 Figura 38: Prueba de comunicación exitosa................. ......................... 70 Figura 48: Identificación e independización de cada una de las teclas de la palanca........................................................................................... 92 .................. .......................................... ........................................................... ...................................... ............................ 62 Figura 44: Diagrama de bloques conexión entre microcontrolador y el brazo...................................... ............................................................. .......... 57 Figura 39: Diagrama de conexión entre XBee y tarjeta SSC32 .................... 71 Figura 51: Identificación e independización de cada uno de los potenciómetros............. 55 Figura 36: Configuraciones por default.................................... ...................................... 60 Figura 42: Brazo AL5A ensamblado: ....................................................................... ....... vista superior................................................. 72 Figura 53: Salida de cada una de las teclas de base y palanca más los potenciómetros .................... ....... 90 Figura 67: Vista de Esquemático.......................................................................................... . 85 Figura 64: Circuito Impreso .................................................................... Microchip ................... ............................................................................... 72 Figura 54: Joystick terminado... 87 Figura 65: Circuito Impreso..... ................... 73 Figura 55: Botones utilizados para el movimiento del brazo..................................... 55 Figura 35: Configuraciones por default.................................................. ....... 88 Figura 66: Herramienta Online para cálculo de pistas Internas........................... XBee Pro.... 65 Figura 46: Diagrama de flujo para el movimiento del Gripper......................... .............. 85 Figura 63: PICKit 3 Programador estándar................................................................... 74 Figura 57: Diagrama de conexión potenciómetros al microcontrolador. .............................. ........................ ...................... .................. 58 Figura 40: Implementación del Modo Comandos AT en C18 ............... 54 Figura 34: Circuito de la Figura............................ Placa Principal Eagle Cadsoft...................................... 92 Figura 68: Vista de Board Placa Principal................................................ 71 Figura 49: Identificación e independización de cada una de las teclas de la palanca vista inferior.. XBee Pro...................................................... ...... 81 Figura 60: Entorno MPLABX ......... Surface Mound Technology ........................................................ ........ 56 Figura 37: Prueba de Comandos AT entre XBee-XBee...... 78 Figura 59: Desarrollo del Ciclo de Vida Útil.................. 73 Figura 56: Conexión potenciómetros al amplificador LM324................................................................................ 82 Figura 61: Ejemplo de un call graph en MPLABX..
........ ........................................................ 95 Figura 74: Circuito principal terminado vista inferior............................................................ 102 Figura 87: Base del brazo terminada vista lateral................................. 102 ...... ......... pasta para soldar................................................................................................ 94 Figura 71: Screen del circuito principal............. ........ ............................................ 101 Figura 86: Base del brazo terminada vista superior..................................... 94 Figura 72: Estación de soldadura................................... 101 Figura 84: Base del brazo terminada vista inferior............... ................................. 96 Figura 76: Fuente de poder para el joystick................ ............ ................... 99 Figura 80: Base del joystick terminada vista superior.......... ................. Eagle Cadsoft........................... 96 Figura 77: Fuente de poder para el brazo robótico....... .......................................................Figura 69: Elementos del Microcontrolador........... ........... ..................................................................... 100 Figura 82: Base del joystick terminada vista lateral...................................... 93 Figura 70: Pistas impreso principal. 100 Figura 81: Base del joystick terminada vista superior...... 100 Figura 83: Ensamblaje de la base del brazo robótico.................. .......................... ........................................................................ 95 Figura 75: Circuito principal terminado vista superior....... 95 Figura 73: Proceso de soldadura de los elementos al circuito impreso........ 96 Figura 78: Circuito para la alimentación del XBee del brazo y manejo del sensor FSR01................. .......... .... . estallo y des-soldador de vacío.................... 97 Figura 79: Ensamblaje de la base del joystick............... ................................ 101 Figura 85: Base del brazo terminada vista lateral........................................................... ..
...................................................... ........ .............. ............................... 63 Tabla 13: Relación movimiento de servos por medio del joystick.......................... 34 Tabla 6: Conexión servos a la tarjeta SSC-32 .......................... 33 Tabla 5: Alimentación canales de los servos (0-15) tarjeta SSC-32 .... ..... 77 Tabla 18: Código utilizado para la interrupción............ 33 Tabla 4: Alimentación circuitos electrónicos tarjeta SSC-32 .................................... 79 Tabla 20: Relación entre una tecla digital y un canal análogo.............................................. 34 Tabla 8: Resumen de la relación familia-gama en los microcontroladores ................................................................... 61 Tabla 12: trama para el envío de datos de la tarjeta SSC32 ... 64 Tabla 14: Código utilizado para él envió de posiciones al servo 0 “base”................................................ 77 Tabla 19: Código utilizado para la el manejo de las teclas digitales del joystick.................. ..................................... 84 ........ .. 53 Tabla 10: Rangos de operación de los servomotores................................. ......... Tabla 1: Diagrama de pines del módulo XBee ...................................... ..................... 68 Tabla 16: Código utilizado para la configuración del módulo A/D..... 34 Tabla 7: Configuración velocidad de transmisión de datos tarjeta SSC-32 ........ .......................... ......... 22 Tabla 3: Alimentación canales de los servos (16-31) tarjeta SSC-32 ............................................ 21 Tabla 2: Diferencias y similitudes entre XBee Serie 1 y Serie 2 ....LISTA DE TABLAS Pág......................................... 37 Tabla 9: Datos característicos del brazo robótico........ 80 Tabla 21: Características tarjeta SSC32 ................................................... 53 Tabla 11: Servomotores utilizados en el brazo AL5A ..................................................... 75 Tabla 17: Código utilizado para la configuración del módulo de interrupciones........................................................................................................................ 66 Tabla 15: Código utilizado para él envió de posiciones al servo 4 “Gripper”.....
Sistemas de transmisiones. En relación con la teoría de la automatización de tareas tradicionalmente asociadas. picas. En los inicios del nuevo milenio la robótica ha sufrido una gran transformación en su alcance. Sistemas de accionamiento. una idea se transforma en un resultado tangible. Todo depende de la función que este realizará. flechas. la palabra checa Robota. Sistemas de control. transformando la forma de vida y trabajo. revolucionario y majestuoso que marcará para siempre el desarrollo de la vida en nuestro planeta. además incrementando los límites de la experiencia humana. Sistemas sensoriales. Este conjunto de elementos permiten que a través de una lógica programable se lleven a cabo ciertas labores que cada vez se asemejan más a las tareas realizadas por el hombre. El invento y desarrollo del motor a vapor reemplazo a la energía muscular proveniente del hombre y las fuerzas del agua y el viento. mazos. Sistemas inerciales. arcos. Un robot puede estar conformado por:         Estructuras mecánicas. que significa trabajo forzado se tradujo a Robot . el ingeniero español Leonardo Torres Quevedo acuñó el término automática. comunicación y transporte.R (Rossum's Universal Robots) escrita por Karel Capek en 1920.Un robot es una máquina diseñada para ejecutar una o más tareas. El término Robot empieza a ser nombrado gracias a la obra R. con velocidad y precisión. lanzas. La Revolución industrial fue un periodo histórico comprendido entre la segunda mitad del siglo XVIII y principios del XIX. con simples conceptos y el poder de la mente humana. en este periodo se registró un proceso de transformación en los métodos de producción. es así como el hombre en su propia esencia y la forma abstracta de ver los problemas ha podido crear herramientas rudimentarias y artefactos en el pasado Garrotes. según su aplicación tiene ciertos componentes o elementos que permiten el desempeño de diferentes funciones.U. Esta expansión ha sido provocada por la madurez del campo y los avances en las tecnologías 15 . es en este punto donde la robótica va unida a la construcción de artefactos. son ejemplos de ello. Sistemas de posicionamiento y navegación. que puede ser controlada por el hombre y a menudo es considerada como una herramienta. con lo cual el trabajo manual pasó a convertirse en mecánico.INTRODUCCIÓN Desde el inicio y existencia del hombre siempre se ha tratado de hacer cada vez más fáciles las tareas más complejas. que trataban de materializar el deseo humano de crear seres a su semejanza y que lo descargasen del trabajo diario. Elementos de accionamiento final.
Por su parte. óptica. neurociencias. educación. entre otros. la fabricación y la asistencia. tales como: biomecánica. la robótica tiene avances día tras día con una gama mucho más amplia de aplicaciones que llegan a través de diversas áreas de investigación y disciplinas científicas. la educación.utilizadas. la salud. 16 . la simulación virtual. los retos de las nuevas áreas emergentes están demostrando ser una abundante fuente de estimulación y puntos de vista para el campo de la robótica. Se espera que la nueva generación de robots de forma segura y fiable sea compañero de hábitat con los seres humanos en los hogares. Más allá de su impacto en los robots físicos. proporcionando apoyo en los servicios del entretenimiento. lugares de trabajo y comunidades. Desde un enfoque industrial dominando en gran parte. cirugías y redes sensoriales. animación. la robótica se ha expandido rápidamente.
y van desde la toma de decisiones. En el campo militar. entre muchas otras aplicaciones [1]. hasta la manipulación y transporte de materiales en todo tipo de procesos. brilladoras. en el comercio se difunde cada vez más el uso de electrodomésticos y accesorios robotizados para el hogar. la minería. el cual tendrá nombre clave “XBee-Hand". ha significado un progreso amplio en la sociedad y a medida que el tiempo transcurre se desarrollan más máquinas con mayor eficiencia y de mejor calidad. el proyecto desarrollado Comunicación Inalámbrica Por Medio Del Protocolo ZigBee Para La Manipulación De Un Brazo Robótico. que van desde su autonomía hasta una inteligencia artificial. uno de los mecanismos que ha surgido y que ha traído numerosas ventajas. manejadores de líquidos y lectores. En la industria. destrucción de fuerzas hostiles.DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA A lo largo del tiempo. los robots son utilizados en procedimientos de cirugía invasiva mínima. En busca de ello. En la actualidad se han creado diferentes tipos de robots buscando reemplazar actividades cotidianas. sus tareas son diversas. También se usan. El robot. innovación o vincularse a ese mundo de conocimiento. En el campo de la medicina. se usan robots para espionaje. la búsqueda y rescate de personas. entre ellos los brazos robóticos son muy comunes. simboliza un ideal para aquellas personas que desean ser parte de la creación. eliminación. 17 . programas y conclusiones de diseños presentes en invenciones o elementos que ya fueron creados. ataque. también se encuentran robots que tienen interfaces amigables hombre máquina (HMI). rutinarias y peligrosas para la integridad humana. Con ayuda de estos avances. en la limpieza de residuos tóxicos. Por ende. y para el transporte vehículos con tecnologías e interfaces robotizadas. la exploración del fondo oceánico y la exploración espacial. se ha implementado el uso de muchos tipos de robots. por medio de la agrupación de diversos dispositivos previamente desarrollados y haciendo uso de teorías. En la robótica cada diseño o estructura es dependiente de la aplicación a realizar. la localización de minas terrestres. A nivel comercial. como herramienta en cualquier campo. será un proyecto multifuncional dependiente de la programación. como lavadoras. en especial en los más rutinarios y peligrosos para el ser humano. no estamos lejos de ver como el ingenio del hombre le dará cualidades admirables. transporte de muestras biológicas o químicas entre instrumentos tales como incubadoras. los seres humanos han indagado acerca de cómo mejorar cada aspecto o cada detalle que represente una dificultad en las diferentes tareas a realizar.
industrial. este dispositivo tendrá la capacidad de realizar procesos de manipulación de objetos de una posición a otra.permitiendo el comando a distancia. como lo son los microcontroladores. este proyecto trae como beneficio para la región o el país. será un instrumento programable que se adaptará a las necesidades o un problema en específico dentro del campo industrial. Este sistema se diseñará como un sistema abierto. el cual puede ser manipulado desde una distancia máxima de 60m inalámbricamente con la destreza suficiente para sujetar un objeto sin dañarlo. teniendo en cuenta sus características de manipulación de objetos y manejo del mismo a través de medios inalámbricos con un óptimo uso de energía . ampliarán y adquirirán nuevos conocimientos en otras áreas tales como: mecanismos. comercial. comercial y residencial. además aplicar y desarrollar habilidades en desarrollo y construcción de circuitos.configuración o aplicación que se le dé. comunicaciones y control. de dispositivos de alta escala de integración. que se creará una herramienta para el aprendizaje en el campo de la robótica. con la posibilidad de expandirse y mejorarse continuamente. 18 .how). militar. ya que se puede introducir dentro del sector educativo. depuración. Sus características principales son:     Brazo robótico Comunicación inalámbrica Control a distancia Sistema de control programable En síntesis. Por otro lado. medico entre otros. También se ampliarán y afinarán los conocimientos en desarrollo de algoritmos. servomotores. No es difícil ver que desarrollar este proyecto representa para nosotros como estudiantes del programa de tecnología eléctrica una oportunidad muy valiosa para ampliar los conocimientos. conceptos y fundamentos adquiridos. dispositivos y mecanismos robotizados con control electrónico (know. que puede usarse como una herramienta de aprendizaje de la robótica y de la electrónica aplicada. se reforzarán. además. simulación. Finalmente. a través de un joystick.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Diseñar el control del brazo robótico por medio de un joystick.  Desarrollar el sistema de control del brazo robótico.4 ZigBee. el sistema de control y el sistema de comunicaciones.15.OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Implementar el protocolo de comunicación inalámbrica 802.  Ensamblar el brazo robótico.  Utilizar los recursos del microcontrolador PIC18F4550 para la parte lógica.  Implementar el sistema de comunicación inalámbrica por medio del protocolo 802.4 mediante el uso de los módulos XBee Pro. XBee serie 1 para la manipulación de un brazo robótico.  Identificar y utilizar técnicas para la formulación de algoritmos mediante las diferentes estructuras de control y su codificación en un lenguaje de alto nivel. y solución de problemas del proyecto.15. 19 .
4 para crear redes FAST POINT-TO-MULTIPOINT (punto a multipunto). control y manipulación de robots.1. La línea de productos XBee se puede encontrar en diversas aplicaciones industriales y comerciales.) actualmente se utiliza de una manera general y accesible para todo público. Este tipo de comunicación facilita la operación en lugares donde los dispositivos no se encuentra en una ubicación fija (almacenes.1 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA 1. en donde los microcontroladores tienen un rol importante para realizar tareas específicas. Fueron diseñados para aplicaciones que requieren de un alto tráfico de datos. XBee es propiedad de Digi International una empresa líder a nivel mundial en el desarrollo de módems de conexión a redes inalámbricos para dispositivos electrónicos basado en el protocolo ZigBee.2 Módulos XBee Los módulos XBee son soluciones integradas que brindan un medio inalámbrico para la interconexión y comunicación entre dispositivos. La comunicación inalámbrica se encuentra en un desarrollo creciente y masivo. control de equipos y 20 . como sensores remotos. ELEMENTOS EMPLEADOS 1. 1. o para redes PEER-TO-PEER (punto a punto) [2] .1 Definición La comunicación inalámbrica o sin cables es aquella en la que los extremos de la comunicación (emisor/receptor) no se encuentran unidos por un medio de propagación físico. cada vez es mayor la necesidad de conectar equipos e implementar este tipo de transmisión en sistemas electrónicos y sistemas embebidos.15. Estos módulos utilizan el protocolo de red llamado IEEE 802.1. Figura 1: Módulos XBee Tomado de [3] Presentan una solución excepcionalmente potente para los numerosos mercados que adoptan la conexión a redes inalámbricas para sus aplicaciones de comunicaciones de datos. baja latencia y una sincronización de comunicación predecible. etc.1. sino que se utiliza la modulación de ondas electromagnéticas a través del espacio. oficinas de varios pisos.
automatizaciones.3 Características del módulo XBee Los módulos XBee son módulos de radio frecuencia que trabajan en la banda de 2. y debido a su pequeño tamaño y fácil programación (solo requiere una conexión serial) son ideales para cualquier proyecto. Received Signal Strength Indicator. Los módulos tienen 6 convertidores análogo-digital y 8 entradas digitales además de Rx y Tx. se comunican con un dispositivo RS232 a niveles TTL.4 GHz con protocolo de comunicación IEEE 802. Los módulos XBee pueden ser programados a través de una hyperterminal y una interface serial con un MAX3232 y una serie de comandos llamados AT. Digital I/O 6 Analog Input 3. estos son los que mantienen la relación exacta entre precio y calidad. 21 . steady if not. 1. Pin Sleep Control (asserted low). El fabricante de los módulos también facilita al usuario un software de programación llamado X-CTU. Digital I/O 8 Ground Digital I/O 4 Clear to Send (hardware handshaking). En términos simples. también disponen de varias I/O que pueden ser configuradas para diferentes funciones [3].4 GHz y generan una red propia a la que puedes conectarte o desconectarte. [3] Trabajan a 2. Los módulos.3 V power supply Data Out (TX) Data In (RX) Digital I/O 12 Module reset (asserted low by bringing pin to ground) Pulse-width modulation analog output 0. Si bien existen bastantes módulos inalámbricos. en la Tabla 1 se puede observar el diagrama de pines para este módulo. Digital I/O 3 Analog Input 2. Tabla 1: Diagrama de pines del módulo XBee Pin # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Name(s) VCC DOUT DIN DIO12 RESET PWM0/RSSI/DIO10 10 11 12 13 14 15 DIO11 Reserved DTR/SLEEP_RQ/ DIO8 GND DIO4 CTS/DIO7 ON/SLEEP VREF ASSOC/DIO5 16 17 18 19 20 RTS/DIO6 AD3/DIO3 AD2/DIO2 AD1/DIO1 AD0/DIO0/COMMIS Description 3.1. ofrecen una velocidad de comunicación desde 1200 hasta 115. Digital I/O 10 Digital I/O 11 Do not connect Data Terminal Ready (hardware handshaking signal).4 fabricados por MaxStream. entre otros. Digital I/O 5 Request to Send (hardware handshaking). los XBee son módulos inalámbricos fáciles de usar e implementar a gran escala. ruidos. Commissioning Button Tomado de [3]. Digital I/O 7 Sleep indicator (off when module is sleeping) Not used in Series 2 Association indicator: blinks if module is associated with a network. Digital I/O 2 Analog Input 1. Digital I/O 0.200 baudios pasando por todos los valores convencionales. Entre otras características a tener en cuenta hay que decir que son módulos microprocesador con lo cual tienes solucionados los problemas de fallo de trama. Digital I/O 1 Analog Input 0.15.
standardized. estos módulos trabajan tan bien como los de la Serie 2. además de eso está soporta completamente todas las características del protocolo ZigBee.Estos módulos son utilizados en:       Automatización de casas Sistemas de seguridad Monitoreo de sistemas remotos Aparatos domésticos Alarmas contra incendio Plantas tratadoras de agua. low cost. low bandwidth.15. star topologies Mesh. addressable.5 XBee Series 2 La Serie 2 utiliza un microchip de Ember Networks que permite varios protocolos estándares basados en ZigBee. 1. Esta seria por ser la segunda tiene algunas mejoras como un mejor alcance y potencia de transmisión. ad hoc network creation. small. Tabla 2: Diferencias y similitudes entre XBee Serie 1 y Serie 2 Characteristic Typical (indoor/urban) range Best (line of sight) range Transmit/Receive current Firmware (typical) Digital input/output pins Analog input pins Analog (PWM) output pins Low power.4 XBee Series 1 Son la serie más fácil para trabajar. pero incluso así se pueden obtener beneficios. potencia y capacidades.1. cluster tree topologies Single firmware for all modes Requires coordinator node Point-to-point configuration 22 Series 1 30 meters 100 meters 45/50 mA 802. popular Interoperable mesh routing.1. La siguiente imagen muestra un resumen de similitudes y diferencies entre ambas series [2]. self-healing networks Point-to-point. MaxStream fabrica más de 70 tipos de módulos XBee con diferentes antenas. La creación de redes Mesh es el corazón de la creación de redes de sensores robustos y esta serie permite monitorear una gran tasa de datos. pero básicamente hay dos series mayormente usadas de los módulos XBee: 1. no necesitan ser configurados. pero sin todo el trabajo de pre configuración previa. Para comunicaciones Punto-a-Punto. Utilizan un microchip hecho por Freescale para proporcionar las comunicaciones basadas en estándares de una implementación propietaria de las redes de mesh o malla [2].4 point-to-point 8 (plus 1 input-only) 7 2 Series 2 40 meters 120 meters 40/40 mA ZB ZigBee mesh 11 4 None Yes Yes No Yes Yes No Yes No Simple Yes Yes No Yes More involved .
otras veces deben serlo para canalizar la potencia en una dirección y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de radioenlaces). Al ser estos módulos dispositivos de radio necesitan antenas para obtener la mejor calidad en la recepción y transmisión de datos.6 Tipos de Antena Existe una gran diversidad de tipos de antenas.  Conector U. pero estas ventajas tienen un precio. DigiMesh (proprietary) Yes Firmware available Up-to-date and actively supported Series 2 Yes Yes Ember ZB (ZigBee 2007). entiendo esto como la transmisión de potencia máxima será en los 360 grados. es decir.  Antena de Chip: Esto es más o menos lo que parece.4 (IEEE standard).1. se puede utilizar con una antena externa. [3] 23 .  Conector RPSMA: El conector RPSMA es más grande y más voluminoso. Eso hace que sea más pequeño y más robusto. esta ofrece una radiación omnidireccional. Se utiliza cuando el módulo estar dentro de compartimiento metálico. mostraremos los tipos de antenas que hay a continuación. montada directamente al XBee sin un cable de conexión. ZNet 2. no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio comercial o una estación base de teléfonos móviles).FL: Este tipo de conector en el módulo da la posibilidad de conectar una antena externa. esto es en forma de corazón.Characteristic Standards-based networking Standards-based applications Underlying chipset Series 1 Yes No Freescale 802. Esta antena tienen un cardioide como patrón de radiación. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada.5 (obsolete) Yes Tomado de [3] 1.15. La antena de chip es una cerámica plana integrado por un chip que esta al ras con el cuerpo del XBee.  Whip o Cableada: Como su nombre lo indica es un conductor que está atado al cuerpo del módulo XBee. lo que significa que la señal se atenúa en muchas direcciones.
7 Topologías de Red Una red de módulos XBee se encuentra conformado por dos o más nodos. pero eso es todo. El nodo padre ayuda a estos en la conexión con otros segmentos de la red y a transmitir sus mensajes. enviar y recibir información. tienen la capacidad de unirse a las redes.  Dispositivos Finales ó End Device: Los nodos actuando teniendo este rol no tienen la capacidad de enrutar paquetes. por cada red ZigBee solo abra un coordinador que permitirá o denegara la inclusión de otros nodos. Es: 216 = 65536 24 . típicamente esto suelen conectarse a una alimentación eléctrica continua y de alta duración ya que estos deben estar encendido la mayor parte del tiempo utilizando al menos el 70% de la alimentación eléctrica de un nodo coordinador. establecimiento de comunicación entre toda la red.1. En teoría la cantidad máxima de nodos que puede existir en una red ZigBee ya que cada nodo o elemento de la red tendrá asignado una dirección de 16 bits. encargado de la administración y gestión de la red. establecer el identificador de red (PAN ID). enrutador de paquetes. como es de esperarse este debe unirse a una red ZigBee antes de poder actuar como router retransmitiendo paquetes a otros routers o dispositivos finales. La desventaja de estos es que siempre requieren de un nodo padre como un router o coordinador. en toda red ZigBee existen tres tipos de roles según el papel que tengan que desempeñar dentro de esta ellos son:  Coordinador: Este nodo se encarga de la principal tarea dentro de una red ZigBee como es la de formar la red entre nodos. tienen la posibilidad de entrar en modo sleep o intermitencia permitiendo un ahorro de consumo energético al no tener que realizar funciones de enrutamiento.  Router: El rol de un Router es mantener y crear información sobre la red para determinar la mejor ruta para transmitir la información.Figura 2: Diferentes tipos de antenas de los módulos XBee Tomado de [3] 1. dentro de una red de este tipo puede existir varios routers.
 Punto a Punto (Pair Network): Esta es la configuración más simple que consta de dos módulos. ?? = ?(? − ?) ? (1) Para el caso de existir 4 nodos tendremos una cantidad máxima posible: ?? = ?(? − ?) ? (2) ?? = ? (3) Habiendo descrito los roles dentro de una red ZigBee soporta diferentes configuraciones de red como son los mostrados de la Figura 3. siendo ?? el grafo completo de n vértices. El conjunto de los grafos completos es denominado usualmente ? .En este tipo de redes la aplicabilidad de la teoría de grafos es muy utilizada por el tipo de conexiones mesh que se realizan. pues para enrutar los paquetes se deben encontrar caminos cortos. Figura 3: Topologías de una red ZigBee. 25 . siendo algunos grafos conexos o no conexos estando aquí la aplicabilidad. donde uno de los dos debe ser el coordinador y el otro puede ser un dispositivo final o router cualquier dispositivo puede comunicarse con el otro siempre y cuando poseen los mismos parámetros establecida dos. Tomada de [3]. Se utiliza este tipo de redes cuando se requiere confiabilidad de enrutamiento.
1.  Malla (Mesh Network): En esta configuración el nodo coordinador es responsable de inicializar la red y elegir los parámetros de la red.1.8. será guardado en un buffer DOUT para ser enviado al dispositivo con conexión serial RS-232.g Microcontrolador (Tx) y XBee (Rx)) estos son recibidos en un buffer del pin 3 del XBee como se muestra en la Figura 4. así que todo paquete RF recibido en DIN. cada mensaje enviado debe pasar a través del nodo coordinador el cual enruta la información al correspondiente dispositivo.2 Transmisión Cuando un dispositivo externo envía un dato a través de la conexión serial (e. 26 . el resto de los demás se comportan como dispositivos finales.8.1. en esta configuración los dispositivos finales no se comunican entre sí.1 Recepción Este modo de operación funciona cuando un paquete de radio frecuencia es recibido y es válido utilizando la misma dirección de parámetro MY de 16 bits.8 Modos de Operación Todo módulo XBee posee al menos 5 modos de operación o 5 modos de trabajo estos son: 1. en donde el algoritmo de enrutamiento pregunta y responde para eliminar las rutas que no sean optimas basadas en la latencias y tiempos de respuesta.1. 1. gran parte de su tiempo se encargara de gestionar y administrar la red a su vez la red puede ser ampliada a través del uso de routers para alcanzar los dispositivos finales.  Árbol (Cluster tree Network): Esta topología es un caso especial pues el rol de coordinador puede ser precedido a otros routers y proveen servicios de sincronización hacia otros dispositivos o coordinadores. Estrella (Star Network): En esta configuración uno de los dispositivos asume el rol de coordinador de la red y es responsable de inicializar todos los dispositivos en la red.
1. Los dispositivos XBee cuentan con este modo que permite un gran ahorro de energía.Figura 4: Configuración interna del XBee para transmisión de datos. si esto llegara a fallar el paquete será desechado. si no es recibido después de los tres intentos un ACK de fallo se registra. 27 . Este paquete de reconocimiento (también conocido como acknowledgement) indica al nodo de la fuente que el paquete de datos fue recibido exitosamente por el nodo destino.8. Cuando los datos son transmitidos de un nodo a otro. Algunas de las desventajas que presenta este modo de bajo consumo para los dispositivos finales es que como ellos se despiertan solo hasta que el nodo coordinador o nodo padre envía la señal de activación. pues cuando estos se encuentran temporalmente dormidos en un estado de hibernación o reposo como el sleep no ejecutan ninguna tarea de transmisión o recepción de datos .3 Bajo Consumo Uno de los modos más interesantes en estos dispositivos XBee es su modo de bajo consumo (sleep mode) pues en muchos proyectos en los cuales se involucra el uso de dispositivos móviles y transmisión RF (Radio Frequency) se utiliza comúnmente las baterías o alguna otra fuente de alimentación. el nodo de la fuente transmitirá de nuevo los datos tres veces. al ser una fuente de capacidad finita se debe tratar de optimizar al máximo el uso de estos recursos. Antes de realizar él envió de los datos. un reconocimiento de nivel de red es transmitido atrás a través de la ruta establecida al nodo de la fuente. Tomado de [4]. Inmediatamente el módulo saldrá del modo IDLE e intentara transmitir los datos utilizando la configuración escrita en su firmware como es la dirección de destino. hasta que se recibe una señal de activación conocida como Wake up. la desventaja es que estos solo almacenan un único mensaje. coordinadores) deberán almacenar los mensajes que llegan al dispositivo final. que determina cual será el nodo receptor. de lo contrario los nodos padres (routers. Si un reconocimiento de red no es recibido. el XBee establece una conexión con el nodo receptor.1.
para configurar. 28 . por defecto ATGT=0x3E8 que equivalen a 1000ms) luego ingresar +++ y luego esperar otro tiempo GT. Para ingresar a este modo se debe esperar un tiempo dado por el comando GT (Guard Time.1. ajustar o modificar parámetros. Un microcontrolador que maneje UART.8. así como su modo de operación entre otras cosas. En caso de no poder ingresar al modo de comandos.37 para ingresar en este modo se muestra en el capítulo 3 titulo 3. Un código de ejemplo para el compilador c18 v3. Tomado de [5]. es posible que sea debido a la diferencia de velocidades entre el módulo y la interfaz que se comunica vía serial. Como respuesta el módulo entregará un OK.4 Comando Este modo permite ingresar comandos AT al módulo XBee. Figura 5: Ejemplo trama de envío modo AT.1. El módulo XBee viene por defecto con una velocidad de 9600bps. USART y tenga los comandos guardados en memoria o los adquiera de alguna u otra forma. Permite ajustar parámetros como la dirección propia o la de destino. en la Figura 5 se muestra lo que comprende un trama de envío en modo AT.3.
 Engranajes reductores: Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par-motor). b) motor DC.1 Definición Un servomotor (o servo) es un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ser controlado en posición. c) potenciómetro. Los servos se suelen utilizar en robótica.2 SERVOMOTORES 1.  Circuito de control: Es una placa electrónica que implementa una estrategia de control de la posición por realimentación. RC) debido a su gran precisión en el posicionamiento [6] . 29 . este circuito compara la señal de entrada de referencia (posición deseada) con la posición actual medida por el potenciómetro. Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso. Figura 6: Componentes de un servo: a) carcasa. e) tren reductor. En general. los servos suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales:  Motor de corriente continua (DC): Es el elemento que le brinda movilidad al servo.2. Para ello.  Sensor de desplazamiento: Suele ser un potenciómetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posición angular del motor. Es capaz de ubicarse en cualquier posición dentro de un rango de operación (generalmente de 180º) y mantenerse estable en dicha posición. d) circuito de control. Tomado de [6].1. el sentido de giro también se invierte. este motor gira en un sentido a su velocidad máxima. Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales. automática y modelismo (vehículos por radio-control. La diferencia entre la posición actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la dirección necesaria para reducir el error [6]. f) brazo (elemento terminal en el eje).
el eje del servo quedará libre y se podrá mover ejerciendo una leve presión [6]. Para mantener fijo un servo en una posición habrá que enviar periódicamente el pulso correspondiente.2.2 Principios de funcionamiento Los servos disponen de tres cables Figura 7: dos cables de alimentación (positivo y negativo/masa) que suministran un voltaje 4. Las señales PWM utilizadas para controlar los servos están formadas por pulsos positivos cuya duración es proporcional a la posición deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz).9 y 2. Sin embargo.1. que se corresponde con pulsos PWM comprendidos entre 0. también existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180º y sus pulsos de control varían entre 0. Tomada de [6].5ms (Figura 8). ya que si no recibe señales. 30 . Figura 8: Pulsos PWM para controlar servos Tomada de [6]. Antes de utilizar un servo habrá que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dañarlo.8-6V y un cable de control que indica la posición deseada al circuito de control mediante señales PWM (“Pulse Width Modulation”).5 y 2.1ms. Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90º. Figura 7: Colores de los cables de los principales fabricantes de servos.
C y D) que pueden ser leídas de manera digital (bits) o de manera analógica (tensiones) [6]. Este microprocesador se encarga de procesar la señal PWM de entrada y de controlar el motor mediante pulsos con una frecuencia 10 veces superior a los servos analógicos [6]. El uso de un microprocesador permite también a los servos digitales programar distintos parámetros de configuración que son fijos en los analógicos: sentido de giro. aumentar su resolución de movimiento y suavizar su aceleración/deceleración. consulta de posición de los servos y utilización de los pines de control de los servos como salidas digitales TTL. Controlador Serie de Servos) es un dispositivo utilizado para controlar servos desde un PC a través del puerto serie. velocidad de respuesta del servo y resolución. B. movimiento síncrono de varios servos. La tarjeta SSC-32 (Figura 9) es un controlador de la empresa Lynxmotion que permite controlar hasta un máximo de 32 servos. dispone de 4 entradas (A.3 Tipologías Existen dos tipos de servos: analógicos y digitales. engranajes reductores. El principal inconveniente de los servos digitales es que consumen más energía que los analógicos al tener que generar más pulsos de control para el motor [6]. 31 . posición central inicial. 1. Los SSC aceptan comandos con un determinado formato desde el puerto serie del PC y los transforman en pulsos PWM que son enviados a los servos que se desea controlar [6]. Para establecer estos parámetros se deben utilizar aparatos específicos de cada marca. Figura 9: Controlador SSC-32 Tomado de [7]. La principal diferencia entre ellos radica en la adición de un microprocesador en el circuito de control de los servos digitales.1. topes en el recorrido del servo. Se trata de un controlador más completo que el Mini SSC ya que dispone de un conjunto de funcionalidades adicionales: control de servos por tiempo/velocidad/posición. El aumento en la frecuencia de excitación del motor en los servos digitales permite disminuir su tiempo de respuesta (menor deadband). Ambos tipos de servos son iguales a nivel de usuario: tienen la misma estructura (motor DC.2. potenciómetro y placa de control) y se controlan con las mismas señales PWM. Además.3 TARJETA DE CONTROL DE SERVOMOTORES SSC-32 Un SSC (Serial Servo Controller.
2kbps).4 kbps y 115. Su único inconveniente es su mayor tamaño al disponer de un conector DB9 estándar ver Figura 10. posibilidad de conectar el SSC-32 a un micro-controlador a través de comunicación serie TTL. disponibilidad de 4 entradas. diversas configuraciones de alimentación (fuente única para placa y servos o fuentes separadas). 38. 9600bps.1 Información hardware tarjeta SSC-32 Figura 11: Diagrama hardware tarjeta SSC-32 Tomado de [8]. 1. 32 . mayor rango de velocidades del puerto serie (2400bps.Este controlador presenta un gran número de ventajas respecto al Mini SSC: control más complejo de los servos. Figura 10: Elementos de la controladora SSC-32 Tomado de [7].3.
1.9 Vdc.5 voltios CC. Este dato es importante al alimentar el robot a través de una batería. Se pueden obtener directamente de un pack de pilas de 5 pilas NiMH. Si el Microcontrolador se resetea cuando haya varios servos en movimiento. Una batería de 9 voltios CC es perfectamente adecuada para ello. 33 . Utilice esta opción cuando vaya a alimentar todos los servos desde la misma batería. Este jumper debería eliminarse si se va a alimentar el Microcontrolador de forma independiente [8]. Esta es la tensión lógica o VL Es la alimentación para la electrónica del circuito. ver Tabla 3. El rango válido para este terminal es 6 Vdc . Se requieren al menos 6 voltios CC para que funcione correctamente. ver Tabla 4. El regulador de tensión de baja caída (LDO) proporcionará una salida de 5 voltios CC con una entrada de tan sólo 5. Se pueden obtener directamente de un pack de 2 pilas de litio o un pack de 2 pilas de NiMH [8].7. uno en cada lado. Admite una entrada máxima de 9 voltios CC. Esta entrada se utiliza para aislar la alimentación de la lógica de la alimentación de los servos. Tabla 4: Alimentación circuitos electrónicos tarjeta SSC-32 Placa Entrada VL+ ROJO VL NEGRO 5.2 Vdc . Estos jumpers se utilizan para conectar VS1 a VS2.4 Vdc. Si se desea utilizar dos packs de pilas independientes. 4. Es necesario eliminar el jumper VS1=VL si los servos se van a alimentar de forma independiente desde los conectores VS. Este terminal es la alimentación de los canales de los servos (del 16 al 31). Los servos HSR-5980 o HSR-5990 se pueden alimentar con 7. Se deben aplicar de 4. El circuito SSC-32 debería consumir 35 mA sin tener nada conectado a la salida de 5 Vdc [8]. Este jumper permite alimentar el Microcontrolador y los servos desde la misma alimentación del conector VL. Esta entrada se utiliza normalmente con un conector de batería de 9 voltios CC para alimentar los ICs y cualquier cosa que esté conectada a las líneas de 5 voltios CC de la placa. Tabla 3: Alimentación canales de los servos (16-31) tarjeta SSC-32 Placa Entrada VS2+ ROJO VS1 NEGRO 3. aunque se debe intentar reducir a 250 mA para evitar que el regulador se sobrecaliente en exceso [8].8 a 6 voltios CC para los servos analógicos y digitales. Use ambos jumpers. entonces es recomendable alimentar el Microcontrolador de forma independiente a través de la entrada VL. 2. elimine estos dos jumpers [8]. El regulador tiene una potencia nominal de 500 mA.
Es necesario. Tabla 5: Alimentación canales de los servos (0-15) tarjeta SSC-32 Placa Entrada VL1+ ROJO VL1 NEGRO 7.7. Las entradas tienen resistencias internas de tipo pull up (50k) débiles que se utilizan con los comandos de entrada digital de lectura. Actualización de firmware 10. Se Debe insertar con cuidado el Pin 1 con la esquina superior derecha como se indica en la Figura 11. Aquí es donde se encuentra el chip IC de Atmel. Es recomendable utilizar un interruptor normalmente abierto desde la entrada a tierra [8]. ver Tabla 5.Este es el LED indicador del buen estado del procesador. 9.8 a 6 voltios CC para los servos analógicos y digitales. Este terminal es la alimentación de los canales de los servos (del 0 al 15).6.2 Vdc . Se iluminará de forma continua cuando se aplique la alimentación y permanecerá iluminado hasta que el procesador haya 34 . Aquí es donde se tiene que conectar los servos y los demás dispositivos de salida.2k Uso Procesadores de menor velocidad Procesadores de menor velocidad Comunicación Atom/Stamp Comunicación con el PC. Se pueden obtener directamente de un pack de pilas de 5 pilas NiMH. Se deben aplicar de 4. desactivar la alimentación al conectar cualquier elemento al bus de E/S [8] ver Tabla 6. Los servos HSR-5980 o HSR-5990 se pueden alimentar con 7.4k 115. 11. Las dos entradas de BAUDIOS (BAUD) permiten configurar la tasa de baudios. Tabla 7: Configuración velocidad de transmisión de datos tarjeta SSC-32 Jumper 00 01 10 11 Tasa de baudios 2400 9600 38. Tabla 6: Conexión servos a la tarjeta SSC-32 Placa Cable Pulso Amarillo ó Blanco VS Rojo Tierra Negro ó Marrón 8. Las entradas ABCD tienen soporte estático y biestable. [8] Ver las configuraciones aceptables en la tarjeta relacionada en la Tabla 7.4 Vdc. Evitar doblar los pines [8]. Se pueden obtener directamente de un pack de 2 pilas de litio o un pack de 2 pilas de NiMH [8].
Tomada de [8].Se trata de un zócalo para una EEPROM de 8 pines. lavadoras. La EEPROM es compatible con el firmware 2.1 Definición Un micro controlador es un circuito integrado que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento. Instalar dos conectores para utilizar la comunicación serie a nivel TTL Figura 13 desde un Microcontrolador ver Figura 13 [8]. 14. hornos microondas. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles. sobre un 50 % son controladores “simples” y el restante corresponde a DSP’s más especializados. Los micro controladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos. Son diseñados para reducir el costo económico y el consumo de energía de un sistema en particular. la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. Tomada de [8]. 13. 1. memoria y periféricos de entrada y salida [9].4. Este es el puerto serie a nivel TTL. Por eso el tamaño de la unidad central de procesamiento.01GP [8].4 MICROCONTROLADOR 1. 35 . etc.recibido un comando serie válido. Se apagará y volverá a parpadear siempre que reciba datos serie [8]. 12. Instalar dos Jumper como se muestra en la Figura 12 para habilitar el puerto DB9.Simplemente debe conectar un cable con conector DB9 Macho/Hembra desde este conector a un puerto serie libre de 9 pines de su ordenador para recibir los datos de posicionamiento de los servos. Tener en cuenta que existen numerosos adaptadores USB-SERIE que requieren una alimentación independiente para funcionar correctamente [8]. Figura 12: Conexión jumper para DB9 Figura 13: Conexión de jumper para nivel TTL. teléfonos. También se puede utilizar un adaptador de USB a puerto serie.
debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento. Además. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto. La idea es que el circuito integrado se coloque en el dispositivo.4. y al mismo tiempo estar leyendo la próxima instrucción a ejecutar [10].  El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos. Ambos buses son totalmente independientes y pueden ser de distintos anchos. Podemos observar claramente que las principales ventajas de esta arquitectura son:  El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los datos. con un mínimo de circuitos integrados externos de apoyo. 36 . y eso es todo. Para un procesador de Set de Instrucciones Reducido. La otra memoria solo almacena los datos y es llamada Memoria de Datos.2 Arquitectura Interna Microcontroladores La arquitectura conocida como Harvard. el CPU puede estar accediendo a los datos para completar la ejecución de una instrucción. y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa.Un micro controlador difiere de una unidad central de procesamiento normal. ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. [9] Figura 14: Micro controlador Tomada de [9]. el set de instrucciones y el bus de la memoria de programa pueden diseñarse de manera tal que todas las instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud. Hay que agregarle los módulos de entrada y salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información. consiste simplemente en un esquema en el que el CPU está conectado a dos memorias por intermedio de dos buses separados. logrando una mayor velocidad de operación. como los buses son independientes. 1. o RISC (Reduced Instrucción Set Computer). logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa. Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa. enganchado a la fuente de energía y de información que necesite. y es llamada Memoria de Programa.
PIC12. Una pequeña desventaja de los procesadores con arquitectura Harvard Figura 15.3 Familias de microcontroladores PIC Los microcontroladores PIC se pueden clasificar. Gama alta: microcontroladores con instrucciones de 16 bits. como sucede con los PIC16. microcontroladores de 6 terminales. Los microcontroladores PIC también se agrupan en cinco grande familias: PIC10. El criterio empleado para clasificar un PIC dentro de una familia es. básicamente.4. Los PIC10 son. Además algunas de estas familias incluyen dispositivos de más de una gama. que tienen dispositivos de gama baja y media. Los PIC17 y PIC18 son gama alta. ya que estas tablas se encontraran físicamente en la memoria de programa (por ejemplo en la EPROM de un microprocesador). es que deben poseer instrucciones especiales para acceder a tablas de valores constantes que pueda ser necesario incluir en los programas. como los PIC16 y PIC12. 1. un tanto completo. Algunas de estas cinco familias tienen números subfamilias. en tres grandes grupos o gamas:    Gama baja: microcontroladores con instrucciones de 12 bits. Tabla 8: Resumen de la relación familia-gama en los microcontroladores GAMA RASGO FAMILIA DISTINTIVO BAJA MEDIA ALTA PIC10 X 6 Terminales PIC12X5 X 8 Terminales PIC12 (excepto PIC12X5) X 8 Terminales PIC16X5 X PIC16 (excepto PIC16X5) X PIC17 X PIC18 X Gama alta mejorada 37 . pues. [10] Figura 15: Arquitectura Harvard microcontroladores Tomado de [10]. PIC17 y PIC18. atendiendo al tamaño de sus instrucciones. La Tabla 8 muestra la ubicación de los PIC según sus terminales: [11]. Gama media: microcontroladores con instrucciones de 14 bits. La familia de los PIC12 agrupa a los microcontroladores disponibles en encapsulado de 8 terminales. PIC16.
4. Los puertos de entrada y salida son compatibles con la tecnología TTL y CMOS. módulo de conversión A/D Figura 19. Tienen un repertorio de 77 instrucciones de 16 bits. La memoria de programa puede ser de hasta 2MB (220 bytes ó 210 palabras de 16 bits). arquitectura interna Figura 17. Varios dispositivos PIC18 están diseñados para trabajar con tensiones bajas (2. diagrama del oscilador Figura 18. Soporta cristales y osciladores de varias frecuencias como entrada (4-20 MHZ).6 V) y con corrientes inferiores de 2 mA. cuenta con 35 terminales de entrada y salida de propósito general.4. poseen un gran número y variedad de dispositivos de entrada y salida integrados [12].1 Microcontrolador PIC18F4550 La particularidad de este Microcontrolador es que está diseñado para el soporte de la comunicación USB. y 256 bytes de EEPROM (memoria no-volátil) para almacenamiento permanente de datos como configuraciones y demás. [12]. que en su gran mayoría tienen memoria de programa tipo FLASH. 38 .4 Microcontroladores PIC18 Los microcontroladores PIC18 (gama alta) constituyen una numerosa familia de microcontroladores. que es útil para el desarrollo de aplicaciones de adquisición de datos. y tres interrupciones externas. Algunos miembros de la familia PIC18 admiten una expansión externa de la memoria de programa. y la memoria de datos puede llegar al 4 k (4096) registros de 8 bits cada uno.4. El PIC18F4550 cuenta con un convertidor analógico/digital de hasta 12 bits de muestreo. con interrupciones internas provenientes de los dispositivos de entrada y salida integrados en el Microcontrolador. ya que incluye un controlador interne y un número de terminales para que se conectado directamente a un puerto USB.1. se recomienda al usuario investigar sobre este tema.0 V a 3. así como un sistema de interrupción muy elaborado. 1. Poseen una pila de 31 niveles de profundidad. Diagrama bloque transmisión y recepción EUSART Figura 20 y Figura 21. En cuanto a memoria. 2kb de SRAM para memoria volátil. A continuación se mostrará una serie de figuras que relacionan los aspectos más importantes y utilizados: diagrama de pines Figura 16. el diagrama de la lógica interna de las interrupciones Figura 22 y la información eléctrica del PIC18F4550 Figura 23. posee 32kb de flash para almacenamiento de programas. para desarrollo de esta guía se eligió el tipo 40PIN-PDIP que es un empaquetamiento de plástico de doble línea. la presentación de su empaquetamiento es diversa.
Tomado de [13]. 39 .Figura 16: Diagrama de pines PIC18F4550. Figura 17: Arquitectura interna PIC18F4550 Tomado de [13].
Figura 19: Diagrama del bloque A/D. 40 . Tomado de [13].Figura 18: Diagrama del reloj interno del PIC18F4550. Tomado de [13].
Figura 20: Diagrama bloque transmisión EUSART. Tomada de [13]. Tomada de [13]. Figura 21: Diagrama bloque recepción EUSART. 41 .
42 . Figura 23: Características Eléctricas PIC18F4550 Tomado de [13].Figura 22: Lógica Interna Interrupciones PIC18F4550 Tomada de [13].
1. .5 JOYSTICK 1. . 43 . y una serie de botones integrados en la palanca que controlan en la pantalla los movimientos y acciones de los objetos en los videojuegos ver Figura 24. . una sensación de realismo [15].  Memoria RAM de datos: memoria SRAM interna de 2048 bytes en la que están incluidos los registros de función especial.Puede ser escrita/leída en tiempo de ejecución mediante diversas instrucciones.  Pila: bloque de 31 palabras de 21 bits . Estos dispositivos se conectan en los puertos de la computadora y envían señales que esta misma procesa y en algunos modelos reciben órdenes para vibrar y crear en el Gamer ó jugador.4.Almacena la dirección de la instrucción que debe ser ejecutada después de una interrupción o subrutina.  Memoria de configuración: memoria en la que se incluyen los bits de configuración (12 bytes de memoria flash) y los registros de identificación (2 bytes de memoria de solo lectura).Almacena datos de forma temporal durante la ejecución del programa.4.768 bytes .Puede ser escrita/leída en tiempo de ejecución a través de registros.  Memoria EEPROM de datos: memoria no volátil de 256 bytes.Almacena datos que se deben conservar aun en ausencia de tensión de alimentación .5.1 Definición Es un dispositivo con una palanca especial para ser tomado de manera ergonómica con 1 mano.1. .Almacena instrucciones y constantes/datos.2 Organización de memoria PIC18F4550 El Microcontrolador PIC18F4550 dispone de las siguientes memorias [14]:  Memoria de programa: memoria flash interna de 32.Puede ser escrita/leída mediante un programador externo o durante la ejecución del programa mediante unos punteros.
5. integra botones básicos para controlar los videojuegos. 1.  Han habido 2 tipos básicos de palanca en el Joystick. conector USB.2 Características generales de los joysticks  Es un dispositivo que se adapta al manejo con una mano. botones y gatillo. 1.  El tamaño de la palanca es grande. ya que se toma con toda la mano. los digitales (basado en mecanismos que permiten 2 estados lógicos: encendido y apagado por medio de pequeños pulsadores) y los análogos que tienen potenciómetros para detectar las posiciones) [15].  Ha competido en el mercado directamente contra otros dispositivos como el Gamepad y contra los RaceWheel ó volantes para juego.5.3 Partes del joystick Figura 25: Partes de un joystick Tomada de [15]. a diferencia de los Gamepad que se utilizan ambas manos para controlarlo. 44 .Figura 24: Joystick marca Logitech®. Tomada de [15]. modelo Extreme 3D Plus. y dependiendo el modelo también puede tener opcionalmente una serie de botones extras en la palanca. con palanca.
voltaje máximo 4. Palanca: permiten el control de movimiento de los gráficos del juego en pantalla con varias direcciones.a. donde cada una tiene 3 celdas o células. Esta configuración se consigue conectando ambas baterías con un cable paralelo.2 Ventajas y desventajas de las baterías (LiPo)  Mayor densidad de carga. Por ejemplo 3s2p son 2 baterías en paralelo. c.6. e. Estas baterías tienen un tamaño más reducido respecto a las de otros componentes Figura 26. [16] Figura 26: Batería Polímero litio ion 1500 11.6 BATERÍAS 1. Cubierta: protege los circuitos internos el dispositivo y da estética al producto. 1.2 y mínimo 3. así como una tasa de descarga bastante superior. Botones inferiores: tiene funciones primarias. d. Botones superiores: tienen funciones secundarias.6.0.7 V. Este último debe respetarse rigurosamente ya que la pila se daña irreparablemente a voltajes menores a 3 voltios. pero permiten una mayor densidad de energía. e Y en paralelo. [16] 1.1 Baterías de polímero de litio (LiPo) Son una variación de las baterías de iones de litio (Li-ion). Cada celda tiene un voltaje nominal de 3.1V Tomado de [17]. Gatillo: se usa para realizar el movimiento más común que es el disparo. 45 . por tanto tamaño reducido. b. Se suele establecer la siguiente nomenclatura XSYP que significa X celdas en serie. Sus características son muy similares.
3 Tipos de baterías LiPo Las baterías LiPo se venden generalmente de 1S a 4S lo que significa:     Li-PO 1S: una celda. 14. 3. 1. Li-PO 4S: cuatro celdas. bastante superior a las de iones de litio. Li-PO 2S: dos celdas. Quedan casi inutilizadas si se descargan por debajo del mínimo de 3 voltios. Figura 27: Cargador iMax B6 Tomado de [18].1 V. HTX. 46 . de LiFe (A123).7 V. este cargador tiene conector de carga JST-XH compatible con baterías Zippy. lo cual hace fácil su adaptación con cualquier adaptador [18]. 7. 11.6.4 V.5 Cargador baterías LiPo Para este proyecto se adquirió el Cargador iMax B6 que carga y balancea con precisión baterías de polímero de lito. con el cual se puede cargar hasta 6s (LiPo/LiFe) muestreando la tensión de cada celda en tiempo real Figura 27. 1. iMax entre otras.8 V.4 Usos Su tamaño y peso las hace muy útiles para equipos pequeños que requieran potencia y duración. Li-PO 3S: tres celdas. e incluye cables de entrada y salida. El menú es intuitivo y fácil de usar. 1.6.  Buena tasa de descarga. El cargador no incluye adaptador de 12v y el conector de entrada DC no es estándar. como manos libres bluetooth. sin embargo incluye un conector adaptado a caimanes.6. de NiCd y de NiMH.
sobre la informática aplicada y la experimentación de los sensores. hasta entonces grande y costoso. manipuladores amo-esclavo para manejar material radioactivo. los primeros robots industriales salen a la luz pública conocidos con el nombre de Unimates los cuales fueron diseñados por Gorge Devol y Joe Engelverger . este último creó el UNIMATION y fue el primero en mercadear estas máquinas.  Los laboratorios de la Universidad de Stanford y del MIT acometen.1 ORIGEN Y DESARROLLO DE LA ROBÓTICA La robótica como hoy en día la conocemos.  En el año de 1975. especialmente en el área de fabricación de automóviles. Japón comienza a implementar esta tecnología hasta 1968. es decir la invención de los transistores y circuitos integrados. ROBÓTICA 2. 47 . mediante circuitos electrónicos más avanzados como microcontroladores y lenguajes de programación. esta significa labor del ser humano. la tarea de controlar un robot mediante computador. el fuerte impulso en la investigación. tiene su origen hace cientos de años atrás. Una imitación de actividades que el ser humano pueda hacer o que aún desconoce. transforma la imagen y las características del robot. Estos avances se lograron gracias a las grandes inversiones de las empresas automovilísticas. y la robótica no era reconocida como ciencia. en 1970. Tres años después. los robots verdaderos se dieron a conocer a finales de los años 50 y principio de los 60. en 1967.2. esto gracias a un nuevo desarrollo de la tecnología. La palabra robot viene de "Robota". otros auxiliares y diversos departamentos de Universidades de todo el mundo. en 1950. en aquel tiempo los robots eran conocidos como autómatas.  A partir de 1980. Ya en la década de los 80 los brazos industriales modernos incrementaron su capacidad y desempeño.  Unimation. instalando el primero en 1961 y posteriormente. [19] Los robots llevan más de 40 años de estar en los procesos industriales del ser humano . se inicia la implantación de los robots en Europa. por parte de las empresas fabricantes de robots. un conjunto de ellos en una factoría de general motors. la palabra robot viene de una programación. la aplicación del microprocesador. fundada en 1958 por Engelberger y hoy absorbida por Whestinghouse. con el cual se ganó el título de "Padre de la robótica" [19] Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Robótica Industrial:  El laboratorio ARGONNE diseña. realiza los primeros proyectos de robots a principios de la década de los sesentas de nuestro siglo.
Los movimientos de estas articulaciones están controlados por medio de servomotores. o una combinación de ambos. se usan términos como cuerpo. robots hacen una misma función cuantas veces se necesite sin cansarse ni aburrirse. de giro. para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot. siempre van a dar un mismo resultado y lo único que necesitan es una fuente de poder (electricidad). la meta es hacer que en un futuro los robots sean suficientemente flexibles para hacer cualquier acción que un ser humano pueda hacer. En poco más de 30 años las investigaciones y desarrollos sobre robótica industrial han permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las áreas productivas y tipos de industria. [20] El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento. brazo. o sea. un servomotor por articulación. 48 . La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano. 2. en la práctica. En pequeñas o grandes fábricas. los robots pueden sustituir al hombre en aquellas áreas repetitivas y hostiles. De este modo son posibles los seis tipos diferentes de articulaciones que se muestran en la Figura 28 [20]. codo. La evolución de los robots industriales desde sus principios ha sido vertiginosa. en los robots sólo se emplean la de rotación y la prismática. por lo que en ocasiones.2 MORFOLOGÍA DEL ROBOT El brazo robótico o manipulador es un brazo angular o antropomórfico que puede constar de una base rotatoria. hombro. donde cada articulación tiene sólo un grado de libertad. codo y muñeca. Aunque la investigación por hacer que los robots "piensen" más eficazmente. De este modo son posibles los seis tipos diferentes de articulaciones que se muestran en la Figura 28. desempeña un movimiento de desplazamiento o de giro. aunque. un robot está formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. Mecánicamente. adaptándose inmediatamente a los cambios de producción solicitados por la demanda variable [19]. Estos robots cuentan con procesadores baratos y rápidos que hacen a estos más inteligentes y menos caros. muñeca y el manipulador o herramienta final.Hoy en día.
que son las más importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto del espacio.Figura 28: Tipos de articulaciones para robots Tomado de [20]. El número de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los grados de libertad de las articulaciones que lo componen.2.1 Grados de libertad Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. En la Figura 29 se indica el número de GDL de cada tipo de articulación. 2. Las combinaciones más frecuentes son las representadas en la Figura 29 donde se atiende únicamente a las tres primeras articulaciones del robot. Figura 29: Estructuras mecánicas frecuentes en robots industriales Tomado de [20]. con características a tener en cuenta tanto en el diseño y construcción del robot como en su aplicación. El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot. se denomina Grado De Libertad (GDL). da lugar a diferentes configuraciones. El número de GDL del robot coincide con el número de articulaciones de que se compone. 49 .
1 Cinemática del robot: La cinemática del robot estudia el movimiento con respecto a un sistema de referencia. Tomada de [21]. A esto se le conoce como modelo diferencial. cinemática directa e inversa. [21].2 Problema cinemático directo: Un robot se puede considerar como una cadena cinemática formada por eslabones unidos por articulaciones. se precisarán de seis GDL. 50 . Existen 2 problemas fundamentales. tres para definir la posición y tres para la orientación. La cinemática del robot trata también de encontrar las relaciones entre las velocidades de cada articulación y la del extremo. Figura 30: Cinemática del robot. El problema cinemático directo se reduce a encontrar la matriz de transformación T la cual es función de las coordenadas articulares Figura 31.3. Denavit y Hartenberg propusieron un método sistemático para representar la geometría espacial de los elementos de una cadena cinemática de un robot. 2.3.3 CINEMÁTICA DEL ROBOT 2. La cinemática directa consiste en determinar la posición y orientación del extremo final del robot en función de las coordenadas articulares y la cinemática inversa determina las coordenadas articulares en función de la posición final del robot Figura 30.Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parámetros. se describe la localización de cada uno de los eslabones con respecto a dicho sistema de referencia. Para sistemas de hasta 3 grados de libertad se puede usar un método trigonométrico. si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con él la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio. [20] 2. Se establece un sistema de referencia fijo solidario a la base.
Tomada de [22].3 Problema cinemático inverso: El problema cinemático inverso consiste en encontrar los valores que debe adoptar las coordenadas articulares del robot para que su extremo se posicione y oriente según una determinada localización espacial. 2. Existen más de una solución.Figura 31: Funciones de posición y ángulos de desplazamiento del brazo. En la Figura 32 se puede observar que a partir de una coordenada establecida se analiza un sistema de coordenadas y las distancias o características propias del mismo para así encontrar los ángulos de rotación. Lo adecuado es encontrar una solución cerrada. es decir encontrar una relación matemática explícita de la forma: ?? = ?? (?. se puede despejar de la matriz de transformación homogénea. Tomado de [21]. ?) (4) Donde: ? = 1 … ? → (???) Figura 32: Representación en el eje de coordenadas de un brazo robótico. se puede obtener usando trigonometría. ?. ?. ?.3. A continuación se muestran las ecuaciones utilizadas por el modelo 51 . ?.
el modelo geométrico se desarrolló para un sistema de 3 GDL. Además del método geométrico. y previamente definidas: ?? ?? = ???−? ( ) ?? (5) ?? = ??? + ??? (6) ?? + ??? = ??? + ??? + ??? ?? ??? ?? (7) ??? + ??? + ??? − ??? − ??? ??? ?? = ??? ?? (8) ??? ?? = ±√? − ???? ?? (9) ?? = ? − ? (10) ? = ???−? ( ?? ) = ???−? ? ?? ( ±√??? + ??? (11) ) ?? ??? ?? ? = ???−? ( ) ?? + ?? ??? ?? ?? = ???−? ( (12) ±√? − ???? ?? ) ??? ?? (13) Tomadas de [22]. o por medio del Método de Denavit – Hartenberg (D-H). debido a que esta solo precisa de 3 posiciones 0°. que dependen exclusivamente de las características constructivas del robot. se utilizan relaciones geométricas y trigonométricas sobre los elementos 52 . las cuales definen los ángulos q2 y q3 a partir de coordenadas x. ya que una de las articulaciones se puede obviar del modelamiento. Por lo tanto. se utilizó el método geométrico aun cuando es un robot de 4 GDL. Además.geométrico. El método geométrico se suele utilizar para obtener los valores de las primeras variables articulares. también se puede resolver por medio de la cinemática directa que utiliza matrices de transformación homogénea. que implementa 4 matrices de transformación básicas. que son las que posicionan el robot (prescindiendo de la orientación de su extremo). 90° y 180°. Para este proyecto específicamente.
se puede decir que el análisis cinemático inverso permite a través de una coordenada previamente definida. encontrar los ángulos de las articulaciones (hombro. En la Tabla 10 se muestran los rangos permitidos por cada uno de los servos. 53 .75 Distancia entre codo y muñeca 4. Por consiguiente. cada servo fue identificado y sus rangos máximos de operación fueron previstos. Valor en (cm) 9.56 24.06 15. para el desarrollo y análisis de la cinemática inversa se utilizó un software llamado (Another method for Inverse kinematics of Lynxmotion robotic arms) el cual a partir de una coordenada genera los ángulos. codo y muñeca).5 Tomada de [23]. Tabla 10: Rangos de operación de los servomotores. Con este análisis y la simulación en el software LynxTerm se logró realizar un proceso detallado y adecuado para la manipulación de los servos del brazo.52 12. esto es. Tabla 9: Datos característicos del brazo robótico. RANGOS DE OPERACIÓN Servo Rango [PWM] Grados Servo 0 “Base” [500-2500] 180º Servo 1 “Hombro” [1400-2100] 45º Servo 2 “Codo” [1600-1900] 41º Servo 3 “Muñeca” [700-1500] 80º Servo 4 “Gripper” [500-1500] 90º Cada uno de estos rangos fue delimitado en el software final de manera que el usuario o la persona que manipule el brazo no excedan los rangos de operación normales y cause un daño en el servomotor.13 Finalmente. Para el desarrollo y cálculo de los ángulos fue preciso hacer uso de las características principales del brazo Tabla 9. Especificaciones Valor en (in) Distancia entre base y codo 3.75 Altura 6 Altura (estirado) 14 Distancia media de avance 9.24 35.del robot.
pero para observar las características. Para programar el firmware de estos módulos se debe utilizar un software facilitado por el fabricante DIGI llamado X-CTU. 1 XBee Explorer Serial. también se adquirió un circuito impreso de la empresa Sparkfun1 para realizar pruebas con nuestros circuitos en protoboards cabe mencionar que los pines del módulo XBee no son compatibles con el tamaño de separación de las protoboards.com/products/9111 54 . además del recurso del software se debe poseer una interfaz serial como medio físico para la sobre escritura de los parámetros del firmware del módulo XBee. Para la configuración de los módulos inicialmente construimos una tarjeta serial utilizando el integrado max232 que permite la conversión de niveles RS232 a TTL. CARACTERÍSTICAS DE LA COMUNICACIÓN INALÁMBRICA CON MÓDULOS XBEE 3. En la Figura 33 se puede observar el esquemático con el cual se realizaron las pruebas iniciales y en la Figura 34 en circuito ensamblado para dicha prueba.sparkfun. funcionalidades de estos módulos se realizaron pruebas utilizando dos módulos XBee Pro S1 y un XBee S1 creando diferentes topologías como árbol.3.1 DISEÑO DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA Para este proyecto el sistema de comunicación implementado tiene una topología de red punto a punto. Figura 33: XBee Serial Explorer V12. esto también es posible realizarlo por medio del hyperterminal utilizando comandos AT. Tomado de [24]. para ello se requiere utilizar un adaptador a PDIP. en el mercado hay diferentes interfaces desde las USB hasta las mismas seriales. malla y punto a punto. https://www.
adquiriendo la lectura de los parámetros actuales: Figura 35: Configuraciones por default. Teniendo en cuenta que la alimentación del XBee es de 3.Figura 34: Circuito de la Figura. 55 . XBee Pro.3V se realizó la prueba con el software X-CTU ver Figura 35.
Key. Las pruebas de comunicación se llevaron a cabo en tres etapas las cuales se realizaron con el fin de comprobar. como primera medida el estado del XBee. segundo para evidenciar la transmisión y recepción de datos y tercero para probar el envío de datos XBee-XBee (transmisión inalámbrica). 56 . 3. Serial Interface.). después de esto se realizó la modificación de los diferentes modos de operación. se realizar él envió de una cantidad limitada de tramas.2 PRUEBAS DE COMUNICACIÓN Las pruebas de comunicaciones realizadas. A continuación se describen detalladamente cada una de estas. XBee Pro.2. para verificar que el dispositivo inalámbrico si estaba enviando la información adecuadamente.1 Pc-XBee Inicialmente. Api’s . ver Figura 36. como se mencionó anteriormente se realizaron con la modificación de todos los parámetros (Pan id. es necesario comprobar la conectividad del XBee con el Pc esto se realiza mediante el software X-CTU el cual identifica el XBee con un serial. Figura 36: Configuraciones por default.etc. de esta manera se puede decir que el modulo tiene una conexión establecida con el Pc.3. esto también se puede observar mediante los Led’s indicadores de la tarjeta XBee Explorer. Adicionalmente.
3.2.2 Pc XBee - XBee-Pc
Una vez comprobada la conectividad del XBee con el Pc, se procede a realizar una conexión
entre los dos módulos XBee con el fin de establecer la configuración entre los dispositivos
de la red punto a punto que se utilizó en el proyecto. Se desarrolló inicialmente una
comunicación entre XBee utilizando el software del fabricante (X-CTU) enviando una
cadena de caracteres como se puede apreciar en la Figura 37 de ambos lados (Transmisor y
Receptor.). El montaje físico se puede observar en la Figura 38.
Figura 37: Prueba de Comandos AT entre XBee-XBee.
Figura 38: Prueba de comunicación exitosa, usando computador.
3.2.3 Pc-XBee- XBee-SSC32
En esta etapa se procede a examinar la conexión entre un módulo de comunicación y la tarjeta
SSC-32, entonces, desde el software X-CTU se envía una trama específica y aceptable por la
tarjeta del brazo de esta manera identificamos sí al enviar una posición determinada desde el
Pc, la tarjeta lo reconocerá y convertirá en un pulso PWM para la ejecución de un movimiento
en el brazo robótico. El funcionamiento de la tarjeta SSC-32, su forma de operación y la
forma en la que recibe datos se especifica en el capítulo 4. Debido a que el nivel de tensión
del XBee es de 3.3V y el de la tarjeta es de 5V es necesario hacer un divisor de tensión para
obtener un nivel de tensión igual y no haya problemas de transmisión de datos. En la Figura
39 se puede observar el circuito necesario para realizar esta conexión.
Figura 39: Diagrama de conexión entre XBee y tarjeta SSC32
3.2.4 Microcontrolador-XBee-XBee-SSC32
Finalmente, y la etapa más importante de todas es la interacción entre el microcontrolador y
la tarjeta SSC-32 a través de los dos módulos receptor y transmisor (XBee). Por lo tanto, una
vez se comprueba el estado de los módulos y la transmisión y recepción correcta de datos,
correcta en el sentido de que cada carácter enviado de forma serial es recibido exactamente
igual, se puede entonces programar el microcontrolador para que a través de su módulo
EUSART ó módulo de comunicación serial se envíen la tramas necesarias para la ejecución
adecuada de diferentes movimientos por el brazo robótico.
3.3 MODO COMANDO
Como se mencionó anteriormente el módulo de comunicación inalámbrico puede recibir una
serie de comandos y procesarlos, con el fin de probar este modo con el microcontrolador se
implementa el código mostrado en la Figura 40, con el cual se verifió que este modo funciona
Figura 40: Implementación del Modo Comandos AT en C18
Finalmente se utiliza una configuración punto a punto, probando la teoría de las diferentes
topologías de red soportadas por los dispositivos XBee con una tasa de transmisión de
115Kbps en modo transparente y comprobación de errores en la transmisión de los datos,
también se exhibe la tecnología de los módulos y su protocolo base ZigBee , desde el punto
de vista técnico estos permiten crear solución a la medida de bajo coste donde se requiera
utilizar un ancho de banda reducido y bajo consumo de potencia.
Se utiliza un direccionamiento correcto para evitar la pérdida de datos, pues se observa que
si se utiliza el modo transparente sin direccionamiento y con características por default
cuando el modulo transmita en el momento requerido y reciba datos puede existir una posible
colisión, el direccionamiento permite facilitar el intercambio de información entre los nodos
de una red, verificando la correcta transmisión de datos, además de que el estándar 802.15.4
mejora la transmisión teniendo en cuenta la distancia entre los nodos.
este fue adquirido en la tienda electrónica Dynamo Electronics ubicada en Bucaramanga.4. tener por lo menos 3 articulaciones y una pinza o gripper para la obtención de dicho material. se diseñó la base para situar el brazo. ensamblamos pieza por pieza hasta obtener el brazo completamente armado como se muestra en la Figura 42: Figura 42: Brazo AL5A ensamblado: 60 . La Figura 41 muestra el brazo AL5A. Este brazo debía tener la capacidad de girar en un punto fijo 180 grados. Adicionalmente. CARACTERÍSTICAS DEL BRAZO ROBÓTICO Inicialmente surgió la idea de desarrollar un prototipo industrial el cual simulara el desempeño de un brazo robótico capaz de obtener y trasladar materia prima de una banda a otra en una línea de producción. para conocer las fichas técnicas dirigirse al Anexo 1. Figura 41: Brazo o manipulador AL5A Tomada de [18] Una vez se obtuvo este modelo. Según esta idea y por el cumplimiento de esas especificaciones se seleccionó el brazo AL5A desarrollado por la compañía Lynxmotion. Colombia.
4 oz Peso = 24oz Rango de movimiento por eje = 180 grados Precisión de movimientos por eje = SSC32 0. hombro. Este brazo robótico es controlado a través de Servomotores ubicados en sus articulaciones (Cintura o base.75" control = lazo cerrado local por medio de servomotores Altura= 6" Altura (estirado) = 14" Distancia media de avance= 9.75" Distancia entre codo y muñeca = 4. Codo.5" Apertura del gripper = 1.09 grados Tensión de servos = 6 Vdc Los servomotores utilizados en el brazo son los siguientes: Tabla 11: Servomotores utilizados en el brazo AL5A SERVOMOTORES 1 x HS-755HB 2 x HS-422 Base y Muñeca Hombro 1 x HS-645MG 1 x HS-422 Codo Gripper El brazo robótico de este proyecto es un brazo reprogramable con 4 GDL el cual está diseñado para la recolección ó toma de piezas u objetos en tres (3) posiciones previamente definidas las cuales alcanzan un rango de 180 grados.Las características de este brazo son: Especificaciones:              No de Ejes = 4 + Gripper. rotación en la muñeca opcional Distancia entre base y codo = 3.25" Capacidad de carga (brazo extendido) = approx. muñeca y 61 .
esta conexión se realiza a través de canales enumerados desde cero hasta treinta y uno [0-31]. sin embargo carece de conocimiento de lo que está en su entorno. Cada servomotor es controlado por medio de la tarjeta de control SSC-32 la cual está encargada de enviar señales PWM.pinza) según estas características hace las veces de un brazo humano. Figura 43: Conexión de los servomotores a la tarjeta SSC-32 62 . hombro canal uno (1). La tarjeta SSC32 tiene la posibilidad de conectar 32 servomotores cada uno de forma independiente. muñeca canal tres (3) y finalmente la pinza en el canal cuatro (4) así como se muestra en la Figura 43. codo canal dos (2). para el brazo de este proyecto el cual solo tiene cuatro grados de libertad 4GDL se utilizaron cuatro canales y sus articulaciones o servomotores están ubicados de la siguiente manera: base canal cero (0).
Adicionalmente, para el control de los movimientos del brazo es necesario enviar datos
específicos los cuales contienen: el canal (servo), la posición y el tiempo del movimiento.
Estos datos son enviados desde el microcontrolador PIC18F4550 a través del módulo
USART (Universal asynchronous receiver/transmitter) que a su vez son traducidos por la
tarjeta SSC32 a señales PWM y finalmente interpretadas por los servomotores para ejecutar
el movimiento. La trama o código se muestra en la Tabla 12.
Tabla 12: trama para el envío de datos de la tarjeta SSC32
Envía la cadena de caracteres (“#0P1500T1000\r”)
a través del módulo USART2.
putrsUSART(“#0P1500T1000\r”) Con ese código se moverá el servo cero (base) a la
posición 1500 y el movimiento se realizará en 1
En la Figura 44 se muestra un diagrama de bloques que da una idea general sobre la forma o
la interfaz entre los elementos que permite la interacción con el brazo. Este esquema muestra
las partes en las cuales se desarrolló el proceso de elaboración, no solo para programar el
brazo sino para comunicarlo con el joystick inalámbricamente.
Figura 44: Diagrama de bloques conexión entre microcontrolador y el brazo.
Finalmente, es necesario pasar ese modelo a posiciones específicas, para luego ser
programadas en el microcontrolador, además, las instrucciones deben ser enviadas a través
de comunicación inalámbrica para finalmente ser recibidas por la tarjeta SSC 32 que traduce
las tramas o posiciones que se nombran en el titulo 4.1 en movimientos específicos.
La función putrsUSART es una función de la librería usart.h la cual está contenida en el
compilador C18.
4.1 ANÁLISIS Y CONTROL DEL BRAZO ROBÓTICO
Una vez se tiene claro cómo se realizan los movimientos de cada servo es necesario analizar
los rangos que cada uno de estos alcanza y como debe llevarse a cabo un movimiento grupal
o de varios servos, para ello, fue necesario el uso de dos recursos o software principales
desarrollados por la Lynxmotion los cuales son: el LynxTerm y (Another method for Inverse
kinematics of Lynxmotion robotic arms).
Con la ayuda de estos métodos y conociendo los límites de los servos, se implementó un
programa basado en intervalos dependientes del joystick, los valores de los potenciómetros
de la palanca referidos a los movimientos frontal, lateral, y movimiento de circunducción son
leídos por el microcontrolador, el cual se encarga de convertir la señal análoga en digital.
Una vez se tiene la señal digital se adapta al rango aceptado por los servomotores, es decir,
si un dato está entre [0,200] se pasa a [500, 1500]. Por lo tanto, el movimiento del servo es
un movimiento dependiente de un dato variable entregado por el joystick.
Así pues, el brazo ejecuta un movimiento según el desplazamiento continuo de la palanca del
joystick, entonces, cada servo se identifica o tiene una relación con un potenciómetro de la
palanca, en la Tabla 13 se muestra esta relación. Sin embargo, en el siguiente capítulo se
darán más detalles al respecto.
Tabla 13: Relación movimiento de servos por medio del joystick.
RELACIÓN SERVOMOTOR - JOYSTICK.
Servo 0 “base”
Potenciómetro Lateral + Botón1
Servo 1 “Hombro” Potenciómetro Frontal + Botón2
Servo 2 “Codo”
Potenciómetro Muñeca + Botón3
Servo 3 “Muñeca” Potenciómetro Muñeca + Botón4
Servo 4 “Gripper”
Botón Gatillo.
Inicialmente, por defecto se inicia el brazo con una posición específica, llamada función de
inicio, después se realiza una correlación entre la señal análogo-digital de los potenciómetros
y los valores aceptables por los servomotores, esta correlación o mapeo se realiza a través de
una función llamada Map3, inmediatamente este dato se envía por el módulo de
comunicación XBee a la tarjeta SSC32 y posteriormente se ejecuta el movimiento. En la
Figura 45 se muestra un diagrama con el proceso descrito anteriormente.
Arduino es el autor intelectual de la función Map, para ver detalles de esta función visitar la
página web http://arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Reference/Map.
Figura 45: Diagrama de flujo para el movimiento de los servomotores.
} //HABILITAR EL MODULO A/D. putsUSART(Ma). este procedimiento se realiza con los demás servos. } 66 . a manera de ejemplo se mostrará este proceso para el servo 0 ó “base”. Delay10TCYx(1).2500).190. SERVO0(adc_result1). void SERVO0 (int BASE) { if(132<BASE&&BASE<191) { Rango0=map(BASE. if(Rango0<=2500&&Rango0>=500){Move0(Rango0). */ //Selección por encima y debajo de la posición central. Delay10TCYx(1).} } if(38<BASE&&BASE<126) { Rango0=map(BASE. del mismo modo. en este caso la variable es la posición del servomotor.2500). esta función permite guardar en una variable una combinación de caracteres y una variable. Tabla 14: Código utilizado para él envió de posiciones al servo 0 “base”."#0P%iT1000\r". //LATERAL /* RANGOS SERVO #0 "BASE"*/ /*Este servomotor solo puede tener movimientos en un rango de 500 a 2500. SetChanADC(ADC_CH1).ADON=0x01. ADRESH=0.500. M0=0.El envío del dato se realizó mediante una función llamada sprintf de la librería stdlib. /*SELECCIÓN DE TECLA “BASE”*/ if(SERV0==1) {do{AdcConvert0(). sprintf(Ma.38. A continuación en la Tabla 14 se muestran unos fragmentos de código con el proceso desde la selección del servomotor hasta el envío de la posición deseada al servomotor. if(Rango0<=2500&&Rango0>=500){Move0(Rango0).38.190. } //TECLA SERV0 //IR AL CONVERTIDOR ANÁLOGO-DIGITAL. ConvertADC().h.500.M0). /*OBTENCIÓN DE SEÑAL A TRAVÉS DEL CONVERTIDOR ANÁLOGO DIGITAL PARA EL MOVIMIENTO DEL SERVO #0 "BASE" EJECUTADO POR EL MOVIMIENTO DEL POTENCIÓMETRO LATERAL*/ void AdcConvert0(void) { ADCON0bits.} }} /*ENVÍO DE LA POSICIÓN DEL SERVO #0 "BASE" POR LA USART*/ void Move0 (int M0) { unsigned char Ma[13]="\0". while(BusyADC()==1){} adc_result1 = ADRESH.} while(SERV0==1).
el servo para manejar el Gripper tiene un manejo especial ya que se adaptó un sensor de fuerza FSR-01. ya que tanto el micro solicita el valor del sensor como la tarjeta lo envía para que este sea tratado. Una ves la tarjeta reciba este mensaje realiza la lectura y envia al micro una trama con el valor de la señal en ese instante. o si por el contrario es muy baja este se cerrará progresivamente. es importante elegir un material liviano debido a que el peso máximo soportado por el brazo es de 24Oz. si la fuerza aplicada por el sensor es muy alta y supera el limite aceptado por el objeto el servomotor se detiene. En conclusión.En el último paso se observa como la trama requerida por la tarjeta SSC32 es combinada con una variable tipo string de 13 caracteres (Ma) la cual contiene la posición para el servomotor. La fuerza a aplicar depende del objeto que se quiere sujetar. entonces. esta señal es solicitada por el microcontrolador por medio de una instrucción como esta: putrsUSART("VA\r"). en este caso solitica la lectura del canal A . 67 . Por medio del canal análogo de la tarjeta SSC32 es leída la señal del sensor FSR01. El microcontrolador recibe esta señal y realiza un tratamiento para relacionar el valor del dato de la señal análoga con el movimiento del servomotor. el servomotor asociado al Gripper tiene un tratamiento basado en la lectura de la señal del sensor FSR01. en este caso se evidencia una comunicación bidireccional entre el microcontrolador y la tarjeta SSC32 a través de los módulos XBee. el hombro. Finalmente. Estas posiciones se encargan de realizar el desplazamiento de los servos de la base. Este sensor está encargado de regular la presión ejercida por el Gripper. El código para realizar el movimiento de Gripper es similar al código para el movimiento de los servomotores. . el codo y la muñeca. en este caso el servomotor no depende de un potenciómetro del joystick sino del sensor FSR01. pero. Sin embargo. Figura 46: Diagrama de flujo para el movimiento del Gripper. una vez es tratado el dato se envía la posicion al servomotor para que ejecute el movimiento. esta relación se ejecuta asi como en el caso de los demás servos con la función MAP. en la Figura 46 se muestra un diagrama con el proceso que se lleva a cabo para el movimiento del Gripper. En la Tabla 15 se describe o se evidencia el código correspondiente al diagrama de la Figura 46.
} 68 .var).} /*FUNCIÓN PRINCIPAL SENSOR*/ /*Este servomotor solo puede tener movimientos en un rango de 500 a 1500. var=0. GripperMove(val).500. } Delay10KTCYx(255).255. } } val=0. */ void Sensor(void) { unsigned char fsr. Delay10KTCYx(255). sprintf(str.Tabla 15: Código utilizado para él envió de posiciones al servo 4 “Gripper”. Delay10KTCYx(255). /*SELECCIÓN DE TECLA “GRIPPER”*/ if(PINZA==1) {Sensor(). while (!DataRdyUSART()). if(PINZA==0) { if((val>900)&&(val<=1500)) { val=val-100. unsigned int val=0. putsUSART(str).1500)."#4P%iT1000\r". Delay10KTCYx(255). }while(PINZA==1). if(val<900) { val=val+100.0. do{ putrsUSART("VA\r"). fsr=ReadUSART(). //Inicia captura de dato del FSR01 //se captura el dato en la variable FSR val=map(val. /*ENVÍO DE LA POSICIÓN DEL SERVO #0 "BASE" POR LA USART*/ void GripperMove(int var) { unsigned char str[13]="\0". GripperMove(val).
De esta manera.Por último. 69 . tenemos un brazo completamente comunicado inalámbricamente y enlazado al cerebro de todo el proceso que es el joystick. las rutas para la obtención del objeto son totalmente libres y dependientes de lo que el usuario desea. La forma como se programó o fue diseñado este sistema permite que la persona que lo controle tenga total manejo de cada uno de los servomotores.
para mayor claridad se realizó un cambio en esta conexión. es decir. Figura 53 y Figura 54 se muestra el proceso de adaptación del joystick de conexión USB a conexión independiente de cada uno de sus componentes. modelo Extreme 3D Plus.5. En la Figura 47 se muestra el joystick cuando tenía la conexión USB. ver Tabla 13. Sin embargo. de esta manera se logró discriminar cada elemento de forma eficiente y más importante aún clara y concisa. Figura 51. por consiguiente. Figura 52. 70 . Adicionalmente. CARACTERÍSTICAS DEL JOYSTICK Para el desarrollo de este proyecto se utilizó el joystick marca Logitech®. este joystick posee una conexión USB lo que genera una mayor dificultad en la lectura de sus elementos. para conocer las fichas técnicas dirigirse al Anexo 1. Figura 49. Figura 50. debido a sus características ya que tiene una base sólida y estable. una muy buena comodidad de sujeción y por la cantidad de botones programables (12). cada elemento del joystick ya sea tecla o potenciómetro fue tomado independientemente. esta última propiedad permitió el desarrollo de un diseño amplio y con libertad para la realización de diferentes funciones. más adelante en la Figura 48. se diseñó la base para situar el joystick. Figura 47: Joystick con conexión USB. Como se nombró en el capítulo anterior se utilizaron tres potenciómetros y cinco teclas digitales incluyendo el botón de encendido y apagado.
vista superior. Figura 49: Identificación e independización de cada una de las teclas de la palanca vista inferior.Figura 48: Identificación e independización de cada una de las teclas de la palanca. 71 . Figura 50: Identificación e independización de cada una de las teclas de la base.
Figura 53: Salida de cada una de las teclas de base y palanca más los potenciómetros 72 . Figura 52: Identificación e independización de las teclas de la palanca y el potenciómetro de la muñeca.Figura 51: Identificación e independización de cada uno de los potenciómetros.
73 . Es decir.Figura 54: Joystick terminado. 5. uno lateral otro frontal y el movimiento de muñeca y las señales digitales que son los botones de encendido-apagado más los que son utilizados para la selección de un servo especifico. debido a que el brazo robótico tiene 5 (GDL) y solo se cuenta con tres potenciómetros.botón para el control de los servos. En la Figura 55 se muestran los botones seleccionados para el movimiento del brazo.1 INTERFAZ JOYSTICK-MICROCONTROLADOR Como ya se tienen todos los elementos independientes entonces el microcontrolador recibe dos tipos de señal desde el joystick una análoga y otra digital. la análoga son los tres potenciómetros. tal como se muestra en la Tabla 13. Figura 55: Botones utilizados para el movimiento del brazo. entonces es necesario realizar una combinación potenciómetro.
 Toma de la señal de salida del amplificador operacional en los canales análogos del microcontrolador. 5. entonces al presionarse una de estas y accionar la palanca ya sea hacia adelante. esta configuración permite reducir la impedancia de los potenciómetros sin alterar la tensión. atrás o ejecutarse un movimiento de muñeca el servomotor se desplaza a esta posición. Este proceso se realizó debido a que los canales análogos del microcontrolador solo permiten una impedancia recomendada de 2.1. en la Figura 57 se muestra la conexión de los potenciómetros al microcontrolador. así como se muestra a continuación. para esto es necesario hacer un manejo especial tanto con las señales análogas como digitales.1 Manejo de las señales análogas. Para el manejo de las señales de los potenciómetros se realizaron dos etapas:  Toma de la señal con el amplificador operacional LM324 en configuración seguidor de tensión. En la Figura 56 se muestra el diagrama de conexión de los potenciómetros al amplificador operacional4. 4 La simulación de esta configuración se desarrolló en el software Proteus 74 . Figura 56: Conexión potenciómetros al amplificador LM324.Cada una de estas teclas debe controlar un servomotor del brazo.5kΩ y los potenciómetros tienen una impedancia mayor a este valor. en esta etapa se configura por software todas las características necesarias para realizar una conversión análogo-digital de 8 bits.
. 75 . <-Left Justified X <-Right Justified */ //|-|-|CHS3(0)|CHS2(0)| CHS1 (0)| CHS0(0)| GO/DONE | ADON (0) AD DISABLED.ADRESH 5 4 3 2 X X X X .ADON = 0x01. X X X X . La configuración del módulo análogo en el software se realizó de la siguiente manera (Tabla 16): Tabla 16: Código utilizado para la configuración del módulo A/D. . . ADCON0=0b00000000. //Enable A/D module ADRESH=0.953125~1. ADCON2=0b00011010.AN3 // ADCON1:|0|0|VSS(0)|VDD(0)|AN3(1)|AN2(0)|AN1(1)|AN0(1)| // VSS. 6 X . // Canales AN0. X . //when adon=1 . ADCON0bits. 5 4 3 2 . . 1 .AN2. . 0 . /*ADC CONFIG*/ ADCON1=0b00001011. . . . go_done 1 = A/D conversion in progress 0 = A/D Idle. 0 X X : : .96 // ADCON2: ADFM Left justified(0)|-|6 TAD (0)|6 TAD(1)|6 TAD (1)|FOSC32(0)|FOSC32(1)|FOSC32(0)| /* .VDD 5v / 2^8 = 20mV por numero osea que para 100 = 20mV*1. . . 7 X X .Figura 57: Diagrama de conexión potenciómetros al microcontrolador. 7 X . . 1 X X .AN1. 6 X X ADRESL.
se habilitan cuatro canales análogos AN0. AN1.1. OFF.  Teclas de prioridad baja SERV0. se trataron como interrupciones de prioridad alta. las cuales son leídas durante el programa principal y en caso de ser presionadas se ejecuta su función. botón3. aun cuando se esté llevando a cabo un proceso si se presiona una de las teclas el sistema se detiene y realiza o la activación o desactivación. desactivación. esto es. botón4 y gatillo las cuales tomaron el nombre de: ON. La interrupción de prioridad alta se llevó a cabo mediante la interrupción externa INT0. botón2.En síntesis. el dato de la conversión es guardado en el registro ADRESH. la resolución de la conversión es de 20mV por número y se elige justificación a la izquierda. no se utilizan tensiones de referencia diferentes a la de alimentación del microcontrolador. Como se observa en la Figura 55 se utilizaron 7 teclas digitales activación. SERV1. se realiza una conversión de 8 bits. El manejo de estas señales digitales se realizó de dos formas:  Teclas de mayor prioridad activación y desactivación. en la Tabla 17 se muestra la configuración del módulo de interrupciones y en la Tabla 18 se evidencia una parte del código para la ejecución de esta interrupción. botón1. SERV1. 5. se trataron como entradas digitales normales en el puerto b y c.2 Manejo de las señales digitales. por lo tanto. AN2 y AN3. SERV3 y GATILLO respectivamente en la Figura 58 se muestra el diagrama de conexión de estas teclas. SERV2. SERV3 y GATILLO. SERV2. SERV0. 76 .
/*INTCON---->X X X X X X X X |*INTCON2---->X X X X X X X X * --------->7 6 5 4 3 2 1 0 |* ---------->7 6 5 4 3 2 1 0 * 7-> Global Interrupt GIEH=1 |* 7-> PORTB Pull Up Enable=1 * 6-> Peripheral Interrupt PEIE=0 |* 6-> External Interrupt 0 Edge=1 * 5-> TMR0IE Overflow Interrupt=0 |* 5-> External Interrupt 1 Edge=0 * 4-> INT0IE External Interrupt=1 |* 4-> External Interrupt 2 Edge=0 * 3-> RBIE Port Change Interrupt=0 |* 3-> Unimplemented=0 * 2-> TMR0IF Overflow Flag=0 |* 2-> TMR0IP Overflow Interrupt=0 * 1-> INT0IF External Interrupt Flag=0 |* 1-> Unimplemented=0 * 0-> RBIF Port Interrupt Flag=0 |* 0-> RBIP Port Change Interrupt=0 *************************************************************************** * INTCONbits. break. case 5: Desactivate().-> * INTCONbits. INTCON2=0b11000000.RBIF=0.GIEH=1.RBIE=0. /*INTERRUPT SETTINGS*/ INTCON =0b10010000.INT0IF==1) //Se activó la interrupción ? Time1. INTCONbits. INTCON3=0b00000000. DESACTIVAR FLAG INT0 //****************************************************** #pragma interrupt high void high (void) { if (INTCONbits. }} //ON //OFF //Se limpia la bandera INTIF 77 .INT0IF=0. } INTCONbits.Tabla 17: Código utilizado para la configuración del módulo de interrupciones. { x=PORTB&0b00011111. INTCONbits. break.*/ Tabla 18: Código utilizado para la interrupción. //HIGH INTERRUPTS //******************************************************* #pragma code high_vector=0x08 //HIGH PRIORITY void high_interrupt (void) { _asm GOTO high _endasm } #pragma code //FUNCION 1: TECLAS DIGITALES----ACTIVAR.RBIF=0. PRIORITY AND FLAG.-> * INTCON3---->INT1. INTCONbits. INT2 ENABLE. //Máscara (Activar-Desactivar) switch (x) { case 3: Activate().RBIE=0.
78 .Figura 58: Diagrama de conexión teclas digitales al micro controlador. En el caso de las teclas relacionadas a los servos se deben ejecutar en el programa principal continuamente ya que a partir del accionamiento de una de ellas se debe realizar una lectura del canal análogo (potenciometros) y esta lectura debe ser continua debido al cambio permanente de posicion de la palanca. En la Tabla 19 se muestra esta parte del codigo con la lectura de cada una de las teclas y la relacion con los servomotores.
//Parpadeo indicador de funcionamiento /*INICIO DE MOVIMIENTOS*/ if(SERV0==1) {do{AdcConvert0(). //Inicializa el PORTB en 0.} while(SERV1==1). //PROGRAMA PRINCIPAL (MAIN) //******************************************************* void main(void) { InitPorts(). //Configura Dispositivos Micro {USART.} //Función movimiento "CODO" if(SERV3==1) {do{AdcConvert3().} while(SERV2==1).} while(PINZA==1). adecuado se refiere al canal que se eligió para el manejo de ese servo. Nop(). Nop().} while(SERV0==1). como ejemplo en la Tabla 20 se muestra que cuando se presiona la tecla SERV0 la palanca debe desplazarse hacia la izquierda o derecha para que el servo ejecute el movimiento.} //Función movimiento "HOMBRO" if(SERV2==1) {do{AdcConvert2().ADC. } //Mientras no se presione la tecla ON el sistema //permanece en SLEEP MODE.} //Función movimiento "GRIPPER" }} Como se puede observar en la Tabla 19 cada tecla llama una función identificada como AdcConvert(). esta función es la encargada de realizar la lectura del canal análogo y así leer el potenciómetro adecuado.} while(SERV3==1).TRIS. INICIO().} //Función movimiento "MUÑECA" if(PINZA==1) {do{Sensor().PWM} PORTB=0. 79 . while(1) { blinker(). //Incio movimiento de brazo en reposo while(ON==0) { Sleep(). para conocer la relación entre cada tecla y el movimiento de la palanca ver la Tabla 13.Tabla 19: Código utilizado para la el manejo de las teclas digitales del joystick.} //Función movimiento "BASE" if(SERV1==1) {do{AdcConvert1().
DELAY10TCYX(1). de esta manera sin importar si se adelanta más o menos la palanca el servo no se desplazara más allá de su límite.Tabla 20: Relación entre una tecla digital y un canal análogo. 80 . WHILE(BUSYADC()==1){} ADC_RESULT1 = ADRESH. ADRESH=0. SETCHANADC(ADC_CH1).} while(SERV0==1).} //Función movimiento "BASE" /**************************************************************** /*MOVIMIENTO DEL SERVO #0 "BASE" EJECUTADO POR EL MOVIMIENTO DEL POTENCIÓMETRO LATERAL*/ VOID ADCCONVERT0(VOID) { ADCON0BITS.ADON=0X01. } //ENABLE A/D MODULE //LATERAL //EL DATO ES ENVIADO A LA FUNCIÓN DE RANGOS Y //EJECUCIÓN DE MOVIMIENTOS. SERVO0(ADC_RESULT1). Finalmente. tenemos un sistema con señales análogas y digitales que relacionadas entre sí permiten un movimiento controlado de cada uno de los servomotores. DELAY10TCYX(1). CONVERTADC(). //SELECCIÓN DE TECLA SERVO0 if(SERV0==1) {do{AdcConvert0(). Este sistema es limpio y confiable debido a que se programaron las posiciones máximas para cada uno de los servomotores.
Sangría y autocompletado.37. Tomado de [25] Para llevar a cabo el proceso de codificación se decidió utilizar un IDE (integrated development environment) que ya tuviera las herramientas fuertemente ligadas para el desarrollo con microcontroladores (Editor. priorizar. Debuger. Figura 59: Desarrollo del Ciclo de Vida Útil. Compilador. análisis. Opción para alojar múltiples proyectos. IMPLEMENTACIÓN DE SOFTWARE Y LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN A la hora de ejercer actividades de desarrollo de software. Algunos de los criterios para hacer esto fueron [26]:      Soporte call graph para proyecto de gran envergadura. Soporte para parseo de sintaxis. mantenimiento de software es conocido como Ingeniería de Software enmarcado en un ciclo de vida útil como se muestra a continuación ver Figura 59.6. cuantificar. en la Figura 60 se puede observar el entorno de este software y en la Figura 61 se muestra un ejemplo de un call graph para un proyecto. se requiere fomentar tareas que vallan a la par con los avances del proyecto tanto en la escritura de código como en su implementación y etapas de prueba. se decidió implementar las herramientas de desarrollo propias por la empresa fabricante de micro controladores Microchip ©.1 MPLAB X Al momento de llevar a cabo el desarrollo de este proyecto. El campo encargado de estudiar los principios y metodologías para el diseño. Linker) 6. desarrollo. 81 . Integración de Diferentes versiones de compiladores. además de ello se seleccionó el compilador C18 en su versión 3. ejecutar son algunas de ellas.
este mantiene el registro de todo el trabajo y los cambios en los archivos del proyecto. Herramienta de historial local. Ventana de tareas pendientes. 5 82 . Figura 60: Entorno MPLABX Figura 61: Ejemplo de un call graph en MPLABX. Sistema de control de versiones.    Facilidad para la creación de plantillas de código. algunos son git. subversión. Facilidad de integración con diferentes cvs5. cvs. Concurrent Versioning System.
El compilador es capaz de detectar ciertos errores durante el proceso de compilación. En realidad PI no es una variable con un determinado valor: el preprocesador chequea todo el programa antes de comenzar la compilación y sustituye el texto PI por el texto 3.2 PREPROCESADOR El preprocesador es un componente característico de C.141592654 cada vez que lo encuentra. [27] 6. Alta compatibilidad con ANSI C y portabilidad de código.141592654 al comienzo del programa y se introduce luego en el código cada vez que hace falta. NetBeans IDE is FREE. enviando al usuario el correspondiente mensaje de error. Las constantes simbólicas suelen escribirse completamente con mayúsculas.2. Así.1 COMPILADOR El compilador es el elemento más característico del lenguaje C. manejo de múltiples proyectos entre otros. A continuación se explica brevemente en qué consiste cada uno de estos elementos. la sustitución de constantes simbólicas. Versión de prueba para estudiantes. entre overlays 6. 83 . correspondiente al número pi.2 LENGUAJE C El lenguaje C está constituido por tres elementos: el compilador. Optimización para uso de memoria. el preprocesador y la librería estándar. antes de que empiece la compilación propiamente dicha. por ejemplo. Es posible definir una constante simbólica llamada PI que se define como 3. and has a worldwide community of users and developers. [27] 6 https://netbeans. Librerías de código abierto. que no existe en otros lenguajes de programación.141592654. es posible que un programa haga uso repetidas veces del valor 3. [27] Seleccionamos el compilador C18 en su versión 3. Recursividad.40. Portabilidad de código a otros a micros de gama media.2. además de ello tiene una facilidad para la configuración del workspace como pueden ser los temas y colores. open source. Su misión consiste en traducir a lenguaje de máquina el programa C contenido en uno o más ficheros fuente. 6. El preprocesador actúa sobre el programa fuente. por las siguientes razones:         Mejor Integración con herramientas.org/. Una de estas operaciones es. para distinguirlas de las variables. Soporte oficial y de la comunidad.Este IDE es basado en un proyecto open source desarrollado por Oracle llamado Netbeans IDE6. con gran soporte comunitario. para realizar ciertas operaciones.
6. La llamada a dichas funciones se hace como a otras funciones cualesquiera. en C no hay sentencias para entrada y salida de datos. la velocidad controlada. Cronometrado. o una combinación de estos todos. .3 LIBRERÍA ESTÁNDAR Con objeto de mantener el lenguaje lo más sencillo posible. Es evidente. 2400. con este formato la tarjeta identifica el servo. es importante que al final de cada 84 . Acelerado o Sincronizado 7. muchas sentencias que existen en otros lenguajes.4k.3 LENGUAJE TARJETA SSC-32 El SSC-32 (controlador serie de servo) es un controlador de servos con electrónica premontada con algunas importantes características ver Tabla 21. Estas funciones están agrupadas en un conjunto de librerías de código objeto. La gama es 0. Adicionalmente. y deben ser declaradas antes de ser llamadas por el programa (se hace esto por medio de la directiva del preprocesador #include). el tiempo. [8] Tabla 21: Características tarjeta SSC32 ÍTEM Microcontrolador EEPROM Velocidad Secuenciador Interno Entrada Serie Salidas Entradas Requisitos de Corriente Interface del Ordenador Interface del Microcontrolador Control de Servos Tipo de Servos Soportados Percurso del Servo Resolución del Servo Resolución de la velocidad del Servo Control del movimiento del Servo Dimensiones de la Tarjeta CARACTERÍSTICA Atmel ATMEGA8-16PI 24LC32P (No es soportado en esto modelo actual) 14. 38. no tienen su correspondiente contrapartida en C. y los movimientos sumamente lisos.84 cm Para el envío de un dato a la tarjeta SSC32 se debe tener en cuenta un formato específico el cual se puede observar en la Figura 62. que constituyen la llamada librería estándar del lenguaje. el movimiento cronometrado. Tiene una alta resolución (1uS) para el posicionamiento exacto. la velocidad. la posición enviada.62 x 5.09° 1uS / Seg Inmediato. El lenguaje C lo hace por medio de funciones pre programadas que se venden o se entregan junto con el compilador. 115.75 MHz Hexápodo de 12 Servos (Tripodo Alternante) Verdadero RS-232 o TTL. sin embargo. que ésta es una funcionalidad que hay que cubrir de alguna manera. 9600.50mS a 2. El comando del movimiento puede tener inmediata respuesta. [27] 6. N81 32 (Servo o TTL) 4 (Estáticas o Latching) 31mA DB9F Enchufe tipo Header Hasta 32 servos plug-in directos Futaba o Hitec ~170° 1uS. Por ejemplo.50mS para una gama de movimiento de aproximadamente 180°.2.2k.
permite ejecución en tiempo real y soporta tensiones desde 2. 16-bit y 32 Bits. también es posible actualizar el firmware interno del PICKIT3.trama se envíe el carácter de retorno <cr> que en C se escribe “\r”. Algunas de las funciones que se pueden observar en el PICkit3 son: Producto PICkit3 descripción .5V. PICKit 3 puede trabajar con micros PIC de 8. 6. Microchip Tomado de [28].0V. y tiene una sencilla conexión USB Full Speed que permite programar y depurar. ver Figura 63. Figura 62: Trama para el envío de movimientos a los servomotores. http://www. 7Respectando la norma USB puede dar 100mA al circuito donde está conectado y tiene Led’s de información rápida para el usuario hasta 5. sin este carácter la tarjeta no ejecuta la instrucción. Está totalmente soportado por el MPLABX IDE. [28] Figura 63: PICKit 3 Programador estándar. Tomado de [8].sagitron. Tiene circuitos para protección de sobre tensión y de corto circuito.4 PICKIT 3 El PICKit 3 es la herramienta de depuración y programación más sencilla y de menor coste de Microchip.com/productos/activos/microchip/203pickit3-programador-de-pic-sin-necesidad-de-ordenador 7 85 .
Single step. este solo permite guardar un código de hasta 512KB en su Flash. Variables. áreas de memorias. PIC24. Breakpoint sobre datos y direcciones. Stopwatch para mediciones y pruebas sobre la tarjeta. [28] En el Anexo2 se pueden evidenciar los diagramas de flujo y los call graph para este proyecto. PIC18. dsPIC33F y PIC32 de Microchip sin necesitar de un computador. PIC16. Análisis de Registros especiales. 86 . Estos también poseen una nueva tecnológica conocida como “Power-To-Go”que da la posibilidad de una forma muy sencilla programar cualquier microcontrolador de las familias PIC12.     Halt.
pues se solucionan problemas de conectividad y malas conexiones que se podrían presentar en las protoboards (BreadBoards) es por ello se realizaron los circuitos impresos (Printed Circuit Board) para este proyecto y se implementaron varias técnicas descritas a continuación. en la Figura 65 se puede apreciar un ejemplo de un circuito impreso con montaje superficial. cerámica. es una de las partes fundamentales de todo prototipo. es una superficie constituida por dos caras una superior y otra inferior compuestas por caminos o pistas de material conductor típicamente platino. 7.7. teflón o algún plástico resistentes a los ácidos férricos. cobre. oro entre otros laminadas sobre una base que puede ser de material de fibra de vidrio. El circuito impreso se utiliza para conectar eléctricamente a través de las pistas conductoras. Figura 64: Circuito Impreso Tomado de [29] 87 .1 CIRCUITOS IMPRESOS Un circuito impreso. y sostener mecánicamente. plástico. resina. un conjunto de componentes electrónicos como en la Figura 64. ó PCB (del inglés printed circuit board). DISEÑO ELECTRÓNICO Y CIRCUITOS IMPRESOS El diseño y desarrollo de circuitos impresos hoy en día es una de las etapas más importantes a la hora de realizar productos electrónicos.
ensamblado y control de calidad de los circuitos impresos8. Existen Actualmente organizaciones que poseen estándares de diseño para los circuitos impresos como La Organización IPC (Institute for Printed Circuits). Para el cálculo se establecen los siguientes parámetros: Imax=60mA DTmax=10°C entiéndase como Temperatura ambiente 25 °C.ipc. para el caso de nuestros diseño hemos realizado los impresos utilizando uno de los estándares más conocidos en la industria el IPC22219.1 Calculo IPC2221 Para realizar el ancho de una determinada pista o camino es necesario conocer tres datos como mínimo:    Corriente Máxima a Circular por pista (Imax)[Amperios ] Incremento Máximo de Temperatura (DTmax) [°C] Grosor de Pista (G)[Onzas/Pie] Cabe mencionar que G no se debe confundir con el ancho de pista.sparkfun. Surface Mound Technology Tomado de [30].Figura 65: Circuito Impreso. que ha generado un conjunto de estándares que regulan el diseño. 7. http://www. G=1 [Onza/pie] 8 9 Printed Circuit Boards The basics.com/tutorials/pcb-basics Association Connecting Electronics Industries. Sparkfun https://learn.1.aspx 88 . el grosor de pista se refiere a la altura de la pista referente al material que sirve de base en la placa de circuito impreso.org/default.
k1 =0. así como sse muestra en la Figura 66.5453 cuando nuestra pista es interna ó 0. 89 .La fórmula a aplicar según el estándar para el ancho de una pista se calcula con la siguiente formula (14): ????? = ???? [???? ∗ ????] ? ∗ ?. evidentemente entre los datos necesarios para realizar el cálculo no figuraba el área.4281 cuando la pista es externa. se debe utilizar la siguiente ecuación (15): Á??? = [ ? ? ( ) ?? [mils ∗ mils] ] ∗ ? ?? ∗ ???????????? (15) Donde {k1. en la cual solo se requiere ingresar los parámetros deseados.0150 cuando nuestra pista es interna k2= 0. k3= 0. Ahora si se sustituye (14) en (15) se obtiene: ????? = {[ ? ? ( ) ?? } ] ∗ ? ?? ∗ ???????????? ? ∗ ?. k3} son constantes definidas por el estándar que estamos aplicando.7349 cuando nuestra pista es interna ó 0. ??? (14) Donde un mils es una milésima parte de una pulgada.. ???[mils ∗ mils] (16) Existen algunas herramientas que facilitan más este proceso como es el caso de la calculadora de pistas online.6732 cuando la pista es externa..
las flechas indican el resultado del grosor de pistas a aplicar. Los valores resaltados en el círculo de color rojo representan los tres requisitos necesarios en orden de aplicar las ecuaciones mencionadas anteriormente. Algunas de las recomendaciones más conocidas a la hora de utilizar un software de este tipo son: 90 .Figura 66: Herramienta Online para cálculo de pistas Internas. arquitectos. 7.2 SOFTWARE DE DISEÑO Para el diseño de circuitos impresos se suele utilizar típicamente software del tipo CAD (Computer Aided Design ) ó CADD (Computer-Aided Design And Drafting) pues software de este tipo tiene un amplio rango de herramientas computacionales que asisten a ingenieros. diseñadores y todos aquellos que requieran precisión en el modelamiento geométrico de los componentes. Externas.
com La versión freeware se puede encontrar en el siguiente enlace: http://www..cadsoftusa. además de ello utilizar la optimización de conexiones entre ellas conocida como ratnest. ejemplo de ello es la existencia de más componentes. Para ver los circuitos impresos de las fuentes del joystick y el brazo ver el Anexo 3. Gnu/Linux. la simplicidad en las herramientas mismas del software permiten que haya un uso mayor. Figura 68 y Figura 69 se puede observar el circuito esquemático. entre más personas lo utilicen existirán más mejoras en él. la vista de Board y el screen con todos los elementos del impreso principal de todo el sistema. la facilidad de este software es que permite observar con claridad las conexiones entre componentes. Microsoft Windows. Unix. al utilizar una versión freeware se presentan algunas limitaciones las cuales son: Número de Capas: 2 Dimensiones: 100 mm *80mm Esquemáticos: 1 Inicialmente para el desarrollo del circuito se debe realizar el diseño del circuito esquemático agregando el componente y teniendo en cuenta que sus dimensiones concuerden con el tamaño de los objetos físicos como resistencia. Una vez se tiene el diseño del circuito esquemático se pasa a la vista de board que es donde se realiza el ruteo o trazado de las pistas. fácil detección de errores típicos de usuario. número de componentes electrónicos. fácil detección de bugs. www. Para el desarrollo de los circuitos impresos se tuvo en cuenta las recomendaciones anteriores por ello se seleccionó Eagle10 de la empresa CADSOFT11 una empresa de los Estados Unidos. En la Figura 67. Particularmente ellos tiene una versión freeware que permite tranquilamente realizar los diseños de este prototipo.. Para más información sobre este software visitar la página web . diodos.etc. Soporte Comunitario: Se refiere al uso extendido de dicho software.  Portabilidad: Se refiere a la facilidad de que el software provea la opción de exportar el trabajo realizado a otras aplicaciones.cadsoftusa. pulsadores.  Capacidad: Algunos programas de este tipo ponen limitaciones en los diseño. mejora y extensibilidad en las herramientas del software.  Fácil Utilización: Si es fácil de utilizar será mucho mejor para todos. también se refiere a el uso en diferentes sistemas operativos como puede ser Mac OS.com/download-eagle/freeware/ 10 11 91 . como por ejemplo número de capas. dimensiones del circuito impreso.
Figura 68: Vista de Board Placa Principal. Placa Principal Eagle Cadsoft. Eagle Cadsoft. 92 .Figura 67: Vista de Esquemático.
semi profesional.com. http://www.3 REALIZACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS La realización de los circuitos impresos puede ser de tipo artesanal. 7.1 Método Artesanal: El método artesanal para la fabricación de circuitos impresos es muy conocido tanto por amantes de la electrónica digital. http://www.pablin.13 Para este caso se utilizó los tutoriales del gran maestro 14Todopic 15 utilizando el método del planchado que consiste en los siguientes pasos:    Imprimir el diseño de las pistas y los pads en papel termotransferible. Para este prototipo se realiza pruebas de manera artesanal.com.instructables.ar/electron/cursos/pcb/index.ar/apuntes/impresos/impresos. profesionales. en internet se encuentran una larga lista de cómo empezar desde cero en esta tarea 12 e incluso personas que hacen prueba con diferentes químicos. 7. Con una esponja de brillo tomar la baquela de FR4 y lijar la parte del cobre. http://www. http://www.htm 15 Como hacer circuitos impresos.3.htm 12 13 93 . estudiantes y profesionales del campo. este proceso se debe realizar como mínimo por 14 minutos. Utilizar una plancha para pasar el calor del papel termotransferible a la cara de cobre de la baquela. Eagle Cadsoft. Pcb Etching.Figura 69: Elementos del Microcontrolador.com/id/Stop-using-Ferric-Chloride-etchant!--A-better-etc/ 14 Como fabricar circuitos impresos en forma artesanal.todopic.) by Elliot Graham.com/id/PCB-etching-using-laser-printer/ Stop using Ferric Chloride etchant! (A better etching solution.instructables.
Figura 74. 94 . pero en lugar de utilizar papel termotransferible se utiliza papel fotográfico o litográfico. En la Figura 70. Se lava con agua abundante y jabón. Se debe realizar el mismo procedimiento para las partes de la capa superior. Figura 72. Figura 71: Screen del circuito principal. Figura 75. Figura 77 y Figura 78 se evidencian los resultados obtenidos al realizar todos los circuitos impresos con el proceso descrito anteriormente. Figura 71. Figura 76. Finalmente se sumerge en cloruro férrico. Figura 73. se retira la plancha y se sumerge este en agua fría para retirar el papel innecesario.   Una vez se tiene certeza de que la tinta del papel termotransferible ha pasado a la cara de cobre. que es el ácido encargado de consumir el cobre que no se utilizará. Figura 70: Pistas impreso principal.
Figura 72: Estación de soldadura. pasta para soldar. estallo y des-soldador de vacío. Figura 74: Circuito principal terminado vista inferior. Figura 73: Proceso de soldadura de los elementos al circuito impreso. 95 .
Figura 76: Fuente de poder para el joystick. Figura 77: Fuente de poder para el brazo robótico.Figura 75: Circuito principal terminado vista superior. 96 .
Figura 78: Circuito para la alimentación del XBee del brazo y manejo del sensor FSR01. por ello es importante tener muy buen manejo del software para el diseño del circuito ya sea Eagle ó traxmaker y como se dijo anteriormente seguir cada paso como es indicado. A pesar que este procesos es extenso si se realiza con cuidado cada paso los resultados son positivos. 97 .
además permite utilizar todo el protocolo ZigBee y soportar todas las capas de red del estándar 802. al revisar cada configuración del hyperterminal del pc y del XBee había un problema en la sincronización debido a que las velocidades de transmisión eran diferentes. 8. la interfaz SSC32 para el control y posicionamiento de los servomotores que componen el brazo robótico y los algoritmos utilizando diferentes estructuras de control y su codificación en un lenguaje de alto nivel. diferentes recursos del microcontrolador PIC18F4550. lo cual genera una imprecisión notable en la lectura de la señal analógica. de bajo costo y alto desempeño en aplicaciones como esta. se logró implementar.8. lo cual. algunos de estos problemas fueron:  Imprecisión de los potenciómetros del joystick: el joystick cuenta con tres potenciómetros y al accionar uno de ellos el otro varía significativamente.15. Finalmente.4 utilizada en estos dispositivos. En el área industrial como se ha visto en los últimos años ha sido de gran aplicación sistemas inteligentes que permitan elaborar tareas que en definitiva son peligrosas para el ser humano. RESULTADOS Se obtuvo un sistema muy dinámico y adaptable a un espacio educativo e inclusive de carácter industrial. según la resolución del convertidor.  Tramas de Datos erróneas: inicialmente al enviar los datos de un pc a otro por medio de los módulos XBee los datos de recepción no eran los transmitidos solo eran caracteres incoherentes. alguna información (conexión entre la tarjeta SSC32 y el módulo XBee) no se encontró propiamente documentada. cada instrucción depende del usuario que finalmente era el objetivo inicial en el proyecto un sistema abierto y muy funcional para el sistema educativo. Sin embargo. además se confirmó mediante 98 .  Manejo de la tarjeta SSC32: a pesar de contar con buena información acerca de esta tarjeta. protocolo ZigBee. Durante todo el proceso se comprobó que los módulos XBee pro son dispositivos de comunicación confiables. dificultó el desarrollo con esta interfaz. de ahí la idea de independizar cada señal por medio del uso de teclas digitales. es multifuncional y depende esencialmente de la programación. cada movimiento.  Conversión análogo digital incorrecta: en este caso al realizar un proceso de debugging con el IDE MPLABX se encontró que los datos no eran codificados de forma coherente.1 PROBLEMAS ENCONTRADOS En el transcurso del proyecto se presentaron diferentes situaciones que de alguna manera dificultaron mucho más el proceso. por ende tocó realizar una consulta propia para poner en marcha la tarjeta. manejar y obtener un alto grado de conocimiento en el manejo de los módulos de comunicación XBee.
adicionalmente.com/us/. Software de diseño gráfico. Figura 85.2 RESULTADO FINAL Finalmente. Para mayor información visitar la página web http://www.una lectura física de una señal de tensión proveniente de uno de los potenciómetros del joystick.coreldraw. 16 99 . Figura 86 y Figura 87 se muestra el proceso de ensamblaje y terminado del prototipo. la maquetación de páginas para impresión y/o la publicación web. 17 Software de diseño gráfico para el modelado en 3D. aplicado el dibujo. etc. se configuro el modulo A/D con una justificación de 8 bits a la izquierda. Figura 80. fue necesario implementar un amplificador operacional en configuración seguidor de tensión para eliminar el ruido en la señal y disminuir la impedancia de entrada en el puerto análogo del microcontrolador.com/. Figura 81. Figura 82. Figura 84. Figura 79: Ensamblaje de la base del joystick. En la Figura 79. estas bases fueron diseñadas en CorelDRAW16 y simuladas en Rhinoceros 3D17 ver Anexo 1 y posteriormente construidas físicamente en acrílico negro y verde neón. 8. Para mayor información visitar la página web http://www. para mostrar este prototipo final se diseñaron dos bases adecuadas para soportar cada elemento.rhino3d. Figura 83 . se tiene un brazo robótico controlado por un joystick el cual envía sus instrucciones por comunicación inalámbrica. Por ende.
Figura 80: Base del joystick terminada vista superior. Figura 82: Base del joystick terminada vista lateral. Figura 81: Base del joystick terminada vista superior. 100 .
Figura 84: Base del brazo terminada vista inferior.Figura 83: Ensamblaje de la base del brazo robótico. Figura 85: Base del brazo terminada vista lateral. 101 .
Figura 87: Base del brazo terminada vista lateral. 102 .Figura 86: Base del brazo terminada vista superior.
 En todo el proceso del proyecto se logró utilizar varios de los recursos del microcontrolador 18F4550 como su convertidor análogo-digital. Por ejemplo. CONCLUSIONES  Durante las pruebas de comunicación se pudo comprobar que el uso de dispositivos inalámbricos externos a la comunicación del proyecto no afectan el desempeño del prototipo y el envío de datos.  La programación estructurada fue muy importante en este proyecto ya que permite una mayor organización. 103 . ejecución y disminución en el tamaño del código objeto. pues realizando el direccionamiento adecuado entre módulos no se presentan pérdidas de datos ó interferencias electromagnéticas en la señal. Presenta la oportunidad de diseñar un sistema más amplio con un gran número de servos. eficiente. permitiendo realizar el desarrollo del algoritmo.  A pesar del error en la señal análoga enviada por el joystick. lo cual permitió implementar la idea de utilizar teclas para discriminar cada lectura de los potenciómetros.  El sensor de presión en los gripper o pinzas robóticas es de gran aplicación en la robótica ya que ayuda a generar una retroalimentación mecánica de la misma.09°/unidad. ya que no todos se comportan igual más aun cuando cada uno realiza un movimiento específico y diferente en el sistema.  La tarjeta SSC32 fue de gran beneficio para este proyecto. eficiencia en el tiempo de compilación. el hombro no realiza el mismo movimiento que la muñeca y así sucesivamente. ubicación de fallas humanas. para controlar la fuerza de agarre.9. manejo de interrupciones. manejo de entradas o salidas. es una interfaz muy útil. Asimismo es ergonómico y cómodo para el usuario. este es un dispositivo con muchas posibles combinaciones debido a su número de teclas. por ende si no se realiza esta caracterización en cualquier momento el sistema puede fallar y hasta colapsar. algunos de estos pueden ser una velocidad de transmisión óptima en el medio. los cuales son de gran importancia ya que todas están dentro de un solo circuito integrado. de esta manera el objeto a sujetar no será destruido por el mismo al intentar cerrarse más de lo que el objeto soporta.  La caracterización de los servomotores juega un papel muy significativo en cualquier sistema robótico. comunicación serial asíncrona.  Es trascendental identificar los aspectos más relevantes dentro de un sistema de comunicación como el implementado dentro de este proyecto. y amigable con el usuario. comprobación de datos CRC. con una resolución en la posición de 0. de esta manera se garantiza una comunicación limpia y mucho más segura.
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ANEXO 1 PLANOS TÉCNICOS DE LAS BASES PARA EL PROTOTIPO Figura 1: Ficha técnica de la base del joystick vista superior Figura 2: Ficha técnica de la base del joystick vista superior con la base para el impreso. 106 .
Figura 5: Ficha técnica de la base del joystick vista lateral. Figura 4: Ficha técnica de la base del joystick vista frontal. 107 .Figura 3: Ficha técnica de la base del joystick.
Figura 6: Ficha técnica de la base del brazo vista superior Figura 7: Ficha técnica de la base del brazo vista lateral. 108 .
Figura 9: Ficha técnica de la base del brazo. 109 . SIMULACIÓN DE LAS BASES EN RHINOCEROS 3D Figura 10: Simulación 3D de la base del joystick.Figura 8: Ficha técnica de la base del brazo vista frontal.
110 .Figura 11: Simulación 3D de la base del brazo.
ANEXO 2 DIAGRAMAS DE FLUJO Figura 12: Diagrama de flujo convertidor A/D 111 .
112 .Figura 13: Diagrama de flujo programa principal.
Figura 14: Funciones del programa Figura 15: Llamadas a funciones del bloque principal (main).CALL GRAPHS PARA DIAGRAMAS DE FLUJO: La herramienta call graph permite visualizar las llamadas de todo el programa. 113 . al ser este proyecto estructurado el programa principal fue subdividido en programas más pequeños.
Figura 16: Comportamiento de las funciones para el movimiento del servo 3. 114 .
115 .1V fue necesario diseñar dos fuentes una para el brazo y otra para el joystick de manera que se logrará reducir este valor a las tensiones requeridas a través de los reguladores de tensión 7809. tensiones: 9V.3V respectivamente.7805 y LM1117 para obtener tensiones de: 9V.ANEXO 3 ESQUEMÁTICOS DE LAS FUENTES DISEÑADAS PARA REGULAR LA TENSIÓN DE LAS BATERÍAS Debido a que las baterías utilizadas tienen una tensión de 11. 5V. Figura 17: Fuente final base del joystick. 5V y 3. 3.3V.
6V. 3. 5V.Figura 18: Fuente final base del brazo. tensiones: 9V.3V. 116 .
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