Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica
Robot seguidor de Línea
Materia: Teoría de Radiadores Electromagnéticos
Presentan:
- Kenneth Landeros Carmona
- Adwin Jesús Pineda Orozco
Docente:
Brito Rodriguez Rolando
Cd. México 2021
Índice
I. Introducción…………………………………………………..…………..
II. Robots seguidores de línea………………………………..……………
III. Antecedentes……………………………………...………………….....
IV. Características generales de los robots seguidores de línea……....
V. Aplicaciones……………….………………………………….................
VI. Materiales utilizados…………………………………………………….
VII. Costos......................................................................................................
VIII. Cronograma...................................................................................................
IX. Circuito…………………………………………………………………
X. Programación…………………………………………………………
XI.- Armado…………………………………………………………………
XII. Ejecución del prototipo…………………………………………………
XIII. Conclusión………………………………………………....................
XIV. Bibliografía……………………………………………………………
I. Introducción
Un robot es una entidad virtual o mecánica artificial. En la práctica, esto es por lo general un sistema electromecánico que, por su apariencia o sus movimientos, ofrece la sensación de tener un propósito propio. La independencia creada en sus movimientos hace que sus acciones sean la razón de un estudio razonable y profundo en el área de la ciencia y tecnología. La palabra robot puede referirse tanto a mecanismos físicos como a sistemas virtuales de software, aunque suele aludirse a los segundos con el término de bots.
No hay un consenso sobre qué máquinas pueden ser consideradas robots, pero sí existe un acuerdo general entre los expertos y el público sobre que los robots tienden a hacer parte o todo lo que sigue: moverse, hacer funcionar un brazo mecánico, sentir y manipular su entorno y mostrar un comportamiento inteligente, especialmente si ese comportamiento imita al de los humanos o a otros animales. Actualmente podría considerarse que un robot es una computadora con la capacidad y el propósito de movimiento que en general es capaz de desarrollar múltiples tareas de manera flexible según su programación; así que podría diferenciarse de algún electrodoméstico específico.
Los robots seguidores son apasionantes, ya que son una puerta de entrada a la robótica, y además permiten a la persona que los realiza tener la libertad de poderlo diseñar utilizando una variada gama de tecnología.
En el mundo de la robótica, cuando hablamos de un robot seguidor de línea se piensa en un dispositivo que, utilizando unos fotodiodos, va siguiendo una línea negra sobre un fondo blanco. La reacción de estos fotodiodos es muy rápida y, por tanto, si se dispone de un buen dispositivo de control, el robot se mueve rápidamente por el mapa siguiendo ágilmente la línea. Este tipo de robots son muy populares y se pueden realizar verdaderas maravillas utilizando pocos recursos.
Durante el desarrollo de este proyecto y la documentación del mismo decidimos tocar puntos importantes desde los antecedentes de un robot común y corriente, un robot seguidor de línea, mencionando también las bases y el proceso para llevar a cabo este prototipo.
En este trabajo se presentan las generalidades de los robots seguidores de línea. También, se presenta una breve historia de estos, así como sus características generales. Así mismo, algunas de sus aplicaciones son presentadas. Todo esto con la finalidad de tener una visión más amplia de este tipo de robots.
II. Robots seguidores de línea
Estos tipos de robots se caracterizan porque son capaces de seguir un camino trazado por una línea. Esta línea normalmente es de un color que contrasta con el color del resto del suelo, es decir, si la línea es negra, el suelo será blanco, y viceversa. Debido a su facilidad de implementación, estos robots son los que normalmente se utilizan para introducirse en la robótica, y se les suele llamar el “Hello World” de los robots, siguiendo la analogía con el “Hello World” típico de los lenguajes de programación.
Al ser tan fáciles de montar, existen multitud de competiciones que fomentan el desarrollo y mejora de los robots, añadiendo dificultades diversas que hagan que se tenga que diseñar un robot lo más versátil y veloz posible. Estas competiciones suelen tener niveles de dificultad, como por ejemplo:
· Líneas discontinuas.
· Bifurcaciones y cortes del camino.
Los robots seguidores de línea son unos de los robots más ampliamente conocidos. Esto en gran medida gracias a las competencias que se llevaban a cabo tanto en las escuelas como a nivel internacional. Sin embargo, este tipo de robots tienen otras áreas de aplicación diferentes a la educativa. Una de estas áreas de aplicación es la industria, donde son ampliamente utilizados. También, son utilizados en la investigación y en el entretenimiento. Es por esto, entre otras cosas, que este tipo de robots son un tema interesante para el público en general.
Este tipo de robots se pueden describir como un móvil capaz de desplazarse en un área de trabajo sobre la cual se encuentra una línea de un color diferente al piso. Para detectar esta línea el robot se ayuda de sensores. Dependiendo de la tarea a realizar y la complejidad del recorrido se utilizaran más o menos sensores para lograr el recorrido. La línea que se encuentra marcada en el piso es el camino que debe de seguir el robot.
III. Antecedentes importantes:
Uno de los robots seguidores de línea más importantes fue el carro de Stanford, el cual fue creado en 1960 para investigación en misiones lunares remotas. Sin embargo, entre el periodo de 1966-1970 se adaptó para que pudiera seguir una línea blanca sobre el piso.
En 1962 la revista Popular Electronics presenta en su número de marzo al robot Emily. Este robot era capaz de seguir una línea blanca. En este artículo se describen las partes y funcionamiento de este robot a detalle, así como una lista de las partes que lo componen. Con esto, se podía recrear este robot. En la revista Wireless World se presenta otro robot seguidor de línea. Este robot sirve para explorar un cuarto, lo cual hace sin la ayuda de la línea en el piso. Sin embargo, para cargar su batería hace uso de la línea, la cual le indica el camino para poder conectarse a la energía eléctrica.
Por otro lado, en 1975 la revista Everyday Electronics en su número de junio presenta un robot seguidor de línea. Por su parte, la revista Maplin Magazine, en su número de marzo de 1985 publica el robot Zero 2. Este robot era capaz de dibujar logotipos, además tenía LEDs para encender y apagar, una bocina de dos tonos y era un seguidor de línea. En 1986, se realiza la primera competencia Robotrace en Japón, en un torneo llamado “All Japan Micromouse Contest”. Este torneo fue organizado por la New Technology Foundation.
Esta competencia se sigue realizando hasta el día de hoy y consiste en robots seguidores de línea velocistas. La competencia de Robotrace se popularizo tanto que provoco competencias derivadas de esta, dando lugar a la competencia de Line Follower o seguidor de línea [5]. La cual es una simplificación de la categoría Robotrace y es la que la mayoría de la gente conoce actualmente.
IV. Características generales de los robots seguidores de línea
Los robots seguidores de línea son robots sencillos. Estos robots tienen, por lo general, que cumplir una sola tarea, la cual es seguir una línea marcada en el piso. Normalmente, esta línea es de color negro con un fondo blanco. Para lograr esta tarea los robots seguidores de línea utilizan sensores, los cuales interactúan con la unidad de procesamiento.
- Estructura mecánica: Sobre este elemento se colocan los motores, los sensores, las baterías y la electrónica necesaria para que funcione el robot.
- Sensores: Un robot seguidor de línea detecta la línea con ayuda de sensores. Existen diferentes tipos de sensores que pueden ayudar a realizar esta tarea. Los sensores más usados son los sensores infrarrojos (IR). Esto es debido a su bajo costo y fácil implementación.
- Motores: Los movimientos del robot se logran con ayuda de los motores. Existen diferentes tipos de motores para este fin, por ejemplo: motores de corriente continua (CD), motores paso a paso y servomotores. Dentro de estos tipos de motores, los más usados para estos robots son los motores de CD. Esto, principalmente es debido a que son más fáciles de manipular en comparación con los otros tipos.
- Ruedas: Las ruedas se encuentran unidas a los motores. Dentro de las ruedas existen las ruedas con tracción y las ruedas de soporte. Las ruedas de tracción son aquellas que transmiten movimiento al robot con ayuda de los motores. Mientras que, las ruedas de soporte no transmiten ningún movimiento y solo sirven como soporte y para brindar estabilidad al robot.
- Fuente de energía: La fuente de energía suministra la energía a los diferentes elementos electrónicos del robot para que este funcione. El tiempo de funcionamiento del robot dependerá del tipo y capacidad de baterías que se utilicen.
- Electrónica: La electrónica son todos los componentes electrónicos que permiten el funcionamiento del robot. Algunos de estos componentes son (puede variar dependiendo del tipo de robot): resistencias, capacitores, reguladores de voltaje, circuito puente H, etc.
- Unidad de procesamiento: Esta es la parte más importante del robot, podríamos considerarla como su cerebro. La unidad de procesamiento está a cargo de procesar la información proveniente de los sensores, con base en esta información toma decisiones para dirigir los movimientos del robot. Para tener control sobre los movimientos del robot, la unidad de procesamiento envía información a los motores para indicarles si deben girar en un sentido o en otro.
| V. Aplicaciones |
Sin duda alguna este tipo de robots es ampliamente conocido por las competencias que se realizan, además de ser uno de los robots más sencillos de construir. Dentro de las competencias, como ya se abordó anteriormente, existe la competencia de los robots velocistas y la competencia del seguidor de línea. En México existen diferentes torneos de robótica, en los que en algunos de ellos se incluyen a los robots seguidores de línea. Algunos de los torneos de nivel nacional en México son: Torneo mexicano de robótica, UNAM pumatron junior, MECAMEX competencia de robótica, Asociación mexicana de software embebido, por mencionar algunos. A nivel Latinoamérica se encuentra el Latin American Robotics Council y a nivel internacional existen los torneos de: Guerra de robots, Robotrace, RobotChallenge, entre otros.
Por otro lado, podemos encontrar este tipo de robots en la investigación. En este caso, los robots son empleados para diferentes aplicaciones como: procesamiento de imágenes, transporte, juego interactivo, buscador de libros en una biblioteca, estos son solo algunos ejemplos.
Otra área en donde se pueden encontrar este tipo de robots es en la industria. El caso más exitoso de estos robots es en la empresa Amazon, quien utiliza una variante de los robots seguidores de línea para llevar el control de sus almacenes. En el canal oficial de YouTube de IEEE Spectrum se puede ver un video, de estos robots en funcionamiento. Otro robot en la industria es el Weasel, fabricado por SSI SCHÄFER . El cual está diseñado para tareas de transporte interno en almacenes. Un video del funcionamiento de este robot se puede ver en. Otra empresa dedicada a este tipo de robots es CEIT. La cuál maneja un robot que tiene remolques para transportar el material a diferencia de los otros robots que llevan encima la carga. Este robot puede remolcar hasta 3000 Kg a una velocidad de 1 m/s en la versión CEIT Truck 3000a. Un video ilustrativo de los diferentes modelos que maneja CEIT se puede consultar en.
Estos son algunos ejemplos de aplicación del robot seguidor de línea. Con los cuales podemos observar que son de alta importancia dentro del quehacer humano.
VI. Materiales utilizados
Board de control:
Es el cerebro del robot! normalmente este cerebro es programable y este toma las señales de los sensores, las procesa y envía órdenes a los actuadores, actualmente las más usadas en academia son las board Arduino, particularmente la arduino UNO, en esta board es donde vamos a programar el funcionamiento del robot, en el caso de este robot seguidor de línea primero vamos a programar una lógica básica, en nuestro caso usaremos la board arduino UNO
Driver de motores:
Los motores para funcionar requiere normalmente corriente superiores a los 100ma y arduino no puede suministrar esta corriente para esto se usan los drivers, estos se encargan de leer las señales de control y mover los motores con la potencia necesaria, en el caso de arduino la forma más sencilla de hacerlo es usando shields que son tarjetas que se ensamblan sobre las board arduino, el driver a usar va a depender de la potencia que se requiera, en nuestro caso usaremos la Dynamotion Shield V4 que además de tener el driver de los motores tiene pines para conectar de forma fácil los sensores a nuestro robot
Motores:
Son los que proporcionan el movimiento, y depende de la velocidad que deseemos que tenga el robot y el peso que vaya a mover los podemos seleccionar, una de las opciones más usadas en seguidores de línea de alta velocidad son los micro motores HP en relación 10:1 y 30:1, ya que tienen una excelente relación torque velocidad, en nuestro caso usaremos:
Ruedas:
Son muy importantes porque le dan la tracción al robot y su relación de tamaño nos da la velocidad y la fuerza, muchas veces se pueden encontrar ruedas que están diseñadas para un motor especifico esto hace que sea más fácil acoplarlos entre sí, en nuestro caso usaremos unas ruedas para micro motor todo terreno.
Sensores:
Son lo que le permiten al robot conocer información sobre el mundo en esta caso sobre la línea negra, el sensor de línea da información al robot si el sensor esta sobre la línea negra o no, en robots básicos se usan dos sensores, en robots más avanzados pueden llegar a ser 8 sensores para seguir línea o cámaras, en nuestro caso usaremos dos sensores.
Chasis:
Es la estructura donde se va a montar todo el robot, debe ser liviana y resistente, normalmente se usan materiales como acrílico, cartón, MDF, aluminio, o fibra de vidrio, en nuestro caso usaremos acrílico, que es liviano y resistente, en el chasis también debemos considerar otras partes estructurales como las bases para los motores, bases metálicas para asegurar las boards y tornillos.
Cables de conexión:
Son los encargados de transportar la energía y los datos, así que con los cables conectamos los motores, los sensores y las baterías. Los cables normalmente van desde el cerebro hacia los drivers y sensores, el largo del cable va a depender de la distancia que se requiera para hacer la conexión y el calibre (grueso) va a depender de la energía que se requiera así para sensores tenemos calibres entre 22AWG a 26AWG y para motores y baterías de 22AWG hacia abajo, en este caso entre menor sea el calibre más corriente puede soportar.
Baterías:
Son las que le dan energía al robot sin estas el no podría moverse, hay de muchos tipos y tamaños las de litio tienen una mejor relación de tamaño y potencia pero son algo más caras y requieren un cargador y manejo especial, si estamos empezando con robótica se aconseja usar baterías AA o AAA recargables que son fáciles de usar y es posible que en casa tengas un cargador.
VII. Costos
El costo de los materiales fue:
* Rueda Loca de Metal $39
* Llantas de Plástico $65
* 2 Motores Reductores 3 Vcc $49
* Jumpers $30
* 2 Sensores Ópticos $50
* Tarjeta para control de motores CC (L298N) $149
* 2 Baterias 9V $118
En total tuvo un costo de $500 pesos
VIII. Cronograma
La producción tuvo un tiempo total de aproximadamente dos semanas:
- 3 días en desarrollo del programa.
- 2 días de ensamblaje de las piezas en protoboard.
- 1 día en soldar componentes como sensores ópticos y motores.
- 1 día, conexión de jumpers dentro de todo el circuito y ensamblaje de Driver L298N.
- 2 días en cargar el programa al arduino y realización de pruebas del funcionamiento.
- 2 días de afinación de velocidades de los motores y calibración de los sensores.
- 3 días haciendo la pista donde correrá el robot.
A su vez, en paralelo al ensamblaje del circuito se tomo al rededor de 2 a 3 semanas en la elaboración del reporte e investigación.
IX. Circuito
X. Programación
XI. Armado
XII. Ejecución del prototipo
Usted puede revisar parte del uso de los sensores y codificación copiando y pegando este enlace en su navegador:
CLICK AQUÍ PARA VIDEO: Funcionamiento del Arduino
Mire el prototipo funcionando en estos enlaces:
CLICK AQUÍ PARA VIDEO: Funcionamiento del Robot Seguidor de Línea Video 1
CLICK AQUÍ PARA VIDEO: Funcionamiento del Robot Seguidor de Línea Video 2
CLICK AQUÍ PARA VIDEO: Funcionamiento del Robot Seguidor de Línea Video 3
XIII. Conclusión
En una mirada hacia el futuro, se propone la implementación de un controlador más efectivo en parámetros como el tiempo de establecimiento, junto con acciones de control no lineal diferente a los compensadores clásicos o por ejemplo una alternativa de control predictivo. Adicionalmente existe una reciente tendencia de nuevos dispositivos que permiten identificar de manera anticipada la línea de referencia con gran eficacia, como lo son los sistemas de visión de alta velocidad de fotogramas apoyados por los sensores de línea ya conocidos y los sistemas de medida inercial.
Este es uno de los proyectos de robótica móvil más simples y algunos aspectos en los que pueden verse alternativas importantes son: control de velocidad PID, evación de obstáculos, reconocimiento de pistas, aprendizaje de mecanizado, etc.
En este trabajo se ha presentado una visión general de los robots seguidores de línea. Además, se ha mostrado una breve reseña histórica sobre estos robots. De igual forma, una descripción de los componentes básicos con los que funciona el robot, así como una descripción de estos se ha presentado. Para mostrar la importancia de este tipo de robots se han mostrado diferentes aplicaciones de estos en diferentes áreas del quehacer humano.
XIV. Bibliografía
https://www.ecured.cu/Robot_seguidor_de_l%C3%ADnea
https://es.wikipedia.org/wiki/Robot1_seguidor_de_l%C3%ADnea
· Robot Stanford. https://web.stanford.edu/~learnest/les/cart.html
· Video del robot Stanford https://archive.org/details/sailfilm_cart
· Robotrace http://www.ntf.or.jp/mouse/micromouse2018/index_EN.html
· NTF http://www.ntf.or.jp/
· Lamborghino. https://lamborghino.com/
· RUMI https://www.instructables.com/id/RUMI-the-LineFollowingRobot/
· https://www.instructables.com/id/PCB-BOT-Line-Follower-Obstacle-Avoiding-Remote-Con
· Hackster. https://www.hackster.io/nikodembartnik/industrial-line-follower-for-supplying-materials-9a35f5
· X-robotics. http://www.x-robotics.com/robots_simples.htm
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