NANO ROBOT SIGUE LINEAS SIMPLIFICADO

Una constante entre las consultas de los lectores es la preocupación de que, al construir su mini robot, no tengan los conocimientos suficientes para lograrlo y dar los ajustes finales, también que los componentes sean de fácil obtención junto con un funcionamiento óptimo. Suena a pedir demasiado pero no lo lo es, y como consecuencia de ello, es este sigue líneas simplificado que reúne todas las características y lo podemos construir en unos cuantos pasos.

TEORIA DE FUNCIONAMIENTO DEL ROBOT (MESSIAH)

Me da gusto que aquellos que me consultan están tomando la mini robótica como un trampolín para aprender electrónica, es más, algunos me han comentado que están partiendo de cero y que desean aprender electrónica armando su móvil, y si, la electrónica es un aprendizaje progresivo y deseamos incursionar de una manera sencilla y sobre todo que sea entendible, es por ello que recurrí en mi diseño, al empleo de Lógica Digital. Si el lector desea ampliar el conocimiento en esta área, puede adquirir alguno de los especiales de la revista donde pueda estudiar los fundamentos básicos de ésta, de esa manera este artículo será mucho más sencillo y dará la pauta para probar con temas más avanzados, incluyendo microcontroladores.

Usemos una metodología simple y ordenada, primero debemos definir las funciones que realizará nuestro móvil para establecer las condiciones de funcionamiento, así será mucho más sencillo llegar al circuito idóneo. Nuestro móvil de las ediciones anteriores sólo seguía una línea negra sobre fondo blanco, en caso de que el móvil se saliera de la linea, simplemente dejaba de funcionar y no tenía la posibilidad de rastrearla de nuevo. Entonces establezcamos esa condición como parte del comportamiento del móvil, cuando salgan de la línea TOTALMENTE los sensores que viren hasta que la encuentre de nuevo. Quiero decir que si los sensores salen hacia la derecha o izquierda, que tan sólo detenga el movimiento de la rueda respectiva y así retornará al camino a seguir de manera normal, esta función es muy útil cuando las curvas son muy cerradas o que alguno de los motores sea un poco rápido y se salga del camino, como comúnmente pasa en un móvil de este tipo por su sencillez.

Lo anterior nos indica que si salen hacia la izquierda o hacia la derecha, el móvil intentará buscar la línea hacia el lado contrario de donde se salió, es decir que si sale a la derecha totalmente que vire hacia la izquierda, si lo hace hacia la izquierda que vire a la derecha, esto dependerá del orden en los cuales los sensores, en este caso dos, salgan de la línea. Como condición inicial es que inicie el recorrido con los sensores sobre la línea, de esa manera nuestro simple circuito estará en condiciones de operar, de lo anterior deducimos que debe tener “memoria” para recordar cuál de los dos sensores salió de la línea primero, de esa manera si el móvil sale de la línea y los dos sensores no lo detectan, “recuerde” hacia dónde debe ir. Como es simple y con dos entradas, podemos implementar nuestro circuito con un Flip-Flop R-S, y para que nuestro circuito sea aún más sencillo, lo armaremos con dos compuertas NAND, de acuerdo a la tabla de verdad que implementamos. El estado de memoria se dará solo cuando las entradas sean un “1” lógico, si ambas entradas son “0” lógico las dos salidas del Flip Flop serán uno, (a este estado se le puede llamar estado prohibido) si SET lo llevamos primero a “1” Q será “0” y Q` será “1”, si a continuación Reset se lleva a “1” la salida se conservará y por lo tanto, el estado de memoria se dará. Si realizamos lo anterior pero empezando por RESET y luego pasamos por SET los estados de salida serán invertidos, por lo tanto el estado de memoria dependerá de cuál sensor salga primero de la línea. Un Flip Flop implementado con dos NAND tiene la peculiaridad de que la activación se da por los niveles bajos, razón por la cual el estado inicial permitido a las entradas deba ser “1” lógico, esto para no causar confusión en el análisis de la tabla de la figura 1.

Por lo tanto para que se dé la condición para que avance hacia delante, es que las entradas R y S deben ser “0”, que es cuando los sensores están detectando la línea, que en este caso ahora será blanca sobre fondo negro, y usando el circuito de la figura 2 tendremos en el resistor de 10 kohm (R2 y R5) que está como salida del fotodiodo infrarrojo una caída de voltaje que interpretaremos como “1” lógico, y tenemos que invertir el estado colocando un simple inversor. Ahora las salidas del Flip Flor serán “1” lógico con lo cual podemos llevar a saturación a un transistor y así poner en marcha cada motor. Si alguno de los sensores sale de la línea, el resistor de 10 kohm entregará un “0” lógico que pasando por el inversor será “1” y el funcionamiento será como el descrito para el Flip Flop. De esa manera se detendrá el motor respectivo para que nuestro móvil pueda regresar a la línea “recordando” hacia donde podrá virar. La colocación de los sensores con respecto a los motores en nuestro pequeño móvil, debe ser que el sensor 1 esté del lado opuesto del motor 1 y el sensor 2 del lado contrario al motor 2, esto es similar al siguelíneas de los primeros artículos, ver figura 3.

Los emisores deben colocarse al centro y los receptores a los lados, los sensores deben ser colocados de tal manera que no sobresalgan del ancho de una cinta de aislar plástica.

¿Por qué en vez de un Flip Flop integrado se usaron dos compuertas NAND?
Primero porque algunos Flip Flor establecen algunos estados prohibidos al aplicar el mismo estado lógico a las entradas, y el implementarlo con dos NAND me facilitó el establecer la lógica de funcionamiento de acuerdo a mis necesidades, y porque necesito también dos inversores y puedo implementarlos fácilmente al cortocircuitar las dos entradas de una NAND.

Además, de esa manera uso UN SOLO INTEGRADO, de otra forma tendría la necesidad de usar dos C.I., con lo anterior obtuvimos la simplicidad de circuito.

¿Entonces puedo usar Lógica TTL para este diseño?
No, el diseño es para implementarlo con CMOS ya que así tendremos la libertad de usar voltajes de alimentación desde 3 a 6 Volt con el mismo circuito, así no tendremos sorpresas al disminuir un poco el nivel de baterías y podremos usar cualquiera entre ese rango, además que los niveles lógicos en esta tecnología se adecúan a los niveles de voltaje de alimentación, y podemos activar con relativa facilidad la etapa de transistores.

¿Por qué aquí no se usan amplificadores operacionales para el ajuste de umbral?
Para acoplar la salida de los sensores con el Flip Flop se usó un inversor implementado con una NAND. Al usar el C.I. 4093 tiene la característica de ser con entrada Schmitt Trigger, lo cual internamente establece umbrales de cambio, y a su vez minimiza errores de funcionamiento por ruido, además de que al tener a la entrada un resistor de 10 kohm aterrizado, lo interpreta como un “0” lógico al no haber prácticamente corriente circulante a través de él. Intenten hacer lo mismo con un inversor TTL y se darán cuenta que la corriente saliente de la entrada provoca una caída de tensión en el resistor que produce casi un “1” lógico y por consecuencia no funciona.

¿Es posible cambiar la etapa de potencia del motor por algo de mayor capacidad?
Si usé transistores 2N2222, es porque los mecanismos que utilicé tienen motores muy eficientes que no consumen gran corriente y son pequeñitos, lo cual pueden apreciar en la foto, si desean usar motores de juguete de mayor capacidad tendrán que usar una etapa Darlington, además puntualizo que aun a pesar de la simplicidad, los motores deben llevar forzosamente reducción mecánica.

¿Y los sensores deben ser CNY70?
Para este diseño y para su tranquilidad no los usé, tan sólo conseguí dos sensores infrarrojos interruptivos (figura 4) que se pueden conseguir con mayor facilidad, el emisor y receptor están pareados, y los coloqué uno al lado del otro “emulando” al CNY70, claro que deben respetar la distancia con la superficie para que no sea mayor a 3 milímetros y los polarice como el circuito mostrado. Con las hojas de especificaciones del sensor interruptivo podemos determinar la configuración de sus componentes y podemos usar algunos que sean descontinuados que cuestan muy poco dinero. No usen emisores y receptores de otro tipo (encapsulado tipo led) ya que la dispersión del encapsulado no permite un correcto funcionamiento. En caso de que consigan los CNY70 o algún equivalente, pueden probar y el funcionamiento será prácticamente el mismo.

¿Por qué ahora usa línea blanca en fondo negro?
Mas que nada es por cuestión técnica, ya que algunos eventos establecen como pista para la prueba esas características, si desean que funcione sobre una pista blanca con línea negra es sencillo, sólo adicionen otro inversor antes de cada entrada del Flip Flop. También podrían simplemente, eliminar el inversor y usar solo el Flip Flop, lo cual no aconsejo por la posibilidad de errores ya que el primer inversor es para acoplar el sensor de la etapa lógica.

Originalmente por la sencillez, no está proyectado un circuito impreso y el prototipo se armó sin éste en unos cuantos minutos, usando bases DIP para no dañar el C.I. y usando otros dos a manera de “Protoboard” y montar los sensores y el cableado, el armar el circuito de esta manera permite compactar el prototipo y reducir peso, esta es una técnica comúnmente usada en robótica BEAM y robots de reducidas dimensiones (figura 5), así el lector podrá armarlo en poco tiempo y verlo funcionar, si desea armarlo en impreso recomiendo una tableta universal de muy reducidas dimensiones. Prácticamente todos los elementos los encontré en mi mesa de trabajo y los motores con mecanismo de reducción los reciclé de unos pequeños carros de control inalámbrico. Como consejo final insisto, busquen entre sus cosas y seguramente entre juguetes en desuso, pequeños walkman y uno que otro aparato inservible, tienen una fuente vasta de elementos para crear un robot. Quizá este proyecto a pesar de ser muy sencillo electrónicamente, tenga el inconveniente mecánico que es difícil a veces implementar, usen su imaginación y estoy seguro que podrán lograr un buen proyecto. En la figura 6 tenemos un par de imágenes del móvil, nótese la sencillez y la ausencia de circuito impreso y el montaje en bases DIP.

 
Autor: Ing. Juan Carlos Téllez Barrera
E-Mail: jctellez@saberinternacional.com.mx
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5
 
FIGURA 6
 
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