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Trabajo Final Mecatrnica, NRC 21442, IEE. 22 May 2012
Escuela de Ingenieras UPB Universidad Pontificia Bolivariana
Reporte Final: Diseo y Construccin de un Robot Mvil Tipo
Sumo
Luis M. ARISTIZBAL
Universidad Pontificia Bolivariana, Cir. 1 #70-01, B11, Medelln,
Colombia.
[email protected]
Resumen: Este documento describe el progreso en el diseo y la
construccin de un robot mvil sumo de
competencia. En esta etapa se revisan los componentes
seleccionados, el diseo mecnico y diseo del sistema
electrnico del robot, y se documentan los problemas y soluciones
encontrados.Copyright 2012 UPB
Abstract: This document describes the process ofdesign and
construction of a competition-level Sumo mobile robot.
In this stage, the robots selected components, mechanical
design, electronic system design are reviewed, and encountered
problems and solutions are documented.
Keywords: Automation, Mobile Robots, Sensors.
1. INTRODUCCIN
El desarrollo del robot mvil tipo sumo de este proyecto se
plante en un principio con base en la filosofa de diseo
mecatrnico, siendo esto de vital importancia para permitir
el
correcto desarrollo del producto final. En este reporte se
documenta el proceso de desarrollo del proyecto, en la seccin
2
se hace una revisin completa del estado del arte, en la 3 se
describe el desarrollo del proyecto, incluyendo los procesos
de
seleccin de componentes y diseo mecnico y electrnico, en la
4 se mencionan los problemas que se presentaron durante el
desarrollo y sus respectivas soluciones en caso de haberlas, en
la 5
se muestra el cronograma actualizado, as como los objetivos y
el
protocolo de entrega, y finalmente, en la 6 se concluye respecto
a
los objetivos y los entregables propuestos en la etapa
inicial.
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1.1. Objetivos
Objetivo General.
Disear y construir un robot mvil tipo Sumo apto para
competencias a nivel nacional e internacional.
Objetivos Especficos.
Indagar sobre el estado del arte de los robots tipo sumo, as
como las competencias tanto a nivel nacional como
internacional.
Disear la etapa mecnica del robot, esto incluye chasis, sistema
de transmisin, carcasa y ruedas, de manera que el
prototipo soporte impactos.
Disear una etapa electrnica del robot que permita la integracin
de varios sensores, control de motores, elementos
de seguridad y microcontrolador.
Implementar e integrar las etapas electrnica y mecnica, adems,
comprobar el correcto funcionamiento del sistema
completo.
Desarrollar la programacin bsica que requiera el
microcontrolador, junto con diversas estrategias de ataque y
defensa.
2. ANTECEDENTES
La robtica es altamente aplicable a los procesos de educacin,
ya
que integra parte mecnica, electrnica e informtica (Asada et
al., 2000), y las competencias de robtica propician ambientes
de
desarrollo tecnolgico (Chung, 2003).
Las competencias de robot sumo fueron creadas en Japn, por
el
actual director de la compaa Fujisoft: HiroshiNozawa. La
primera muestra de combates ocurri en 1989, y el primer
torneo
oficial (AllJapan Robot-Sumo Tournament) en 1990 (Miles,
1954). La ltima edicin del torneo fue la 23, en diciembre de
2011.
En 1990, Mato Hatori introdujo los combates de robots sumo a
los
estados unidos. Bill Harrison, un entusiasta de la robtica
recibi
la informacin y comenz a fomentar las competencias de
robtica, para luego formar el North-west Robot Sumo
Tournament, primer torneo de robots sumo fuera de Japn.
Desde
entonces, las competencias de robots sumo cada vez son ms
populares a nivel internacional, llegando hasta los cinco
continentes, con especial auge en las amricas y Europa.
2.1. Competencias de robots sumo
En la actualidad, el torneo de robots sumo ms grande a nivel
mundial es el AllJapan Robot-Sumo Tournament, con 9
eliminatorias en todo Japn y una gran final en la que
participan
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96 robots divididos en dos categoras (FUJISOFT, 2012). Otros
torneos importantes son:
Robogames, realizados en los Estados Unidos de Amrica con 6
categoras distintas de competencia de robots sumo.
Implementan reglamento japons.
Baltic Robot Sumo, celebrado en los paises blticos, consta de
tres sub-torneos en los que participan competidores de toda
Europa. Implementan reglamento japons
RobotChallenge. Es el torneo de robots ms grande de Europa,
incluye 4 categoras de competencia de robots sumo.
No implementan reglamento japons.
En el ao 2008, el torneo AllJapan permiti el ingreso de
participantes internacionales, y desde entonces a la fecha
han
participado pases como Mxico, Estados Unidos, Singapur,
Lituania, Letonia, Turqua, Brasil y Colombia (FUJISOFT,
2012).
2.2. Robots sumo exitosos
Rodnov (2011) describe en su artculo las caractersticas de
su
robot sumo, el cual obtuvo primeros lugares en las
competencias
Robogames, Baltic Robot Sumo y RobotChallenge en el ao 2011.
Este robot se caracteriza principalmente por poseer motores
de
alta eficiencia y alto torque, gran cantidad de imanes de
neodimio
para aumentar la fuerza de atraccin al piso, una reduccin de
velocidad hecha a medida, sensores industriales de distancia
para
la deteccin de enemigo, chasis fabricado en aluminio de
buenas
caractersticas mecnicas, cuchilla frontal afilada de acero.
En Diciembre de 2011, Lucas Tetsuya obtuvo el segundo lugar
en
el torneo AllJapan Robot-Sumo. Las caractersticas de su
robot
son similares a las presentadas por Rodnov (2011), con la
diferencia de una adicin de cuchillas extensibles laterales,
que
aumentan el tamao del 6+frente de ataque del robot (ver Fig.
1).
Figura 1. Robot sumo japons con cuchillas
laterales, fabricado por Lucas Tetsuya. Tomado de
Rodnov (2011)
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El uso de este tipo de extensiones ha tenido gran acogida
dentro
de los competidores de torneos de robots sumo en Japn, ya
que
adems de aumentar el rea de ataque por ms del triple,
permiten
implementar estrategias para confundir al contrincante, como
por
ejemplo el uso de seuelos colocados en la parte superior de
las
extensiones. El campen del torneo en 2010 y 2011 utilizaba
seuelos configurables, de manera que los pudiese desplegar
de
forma aleatoria, dificultando cualquier contra-estrategia
del
oponente (ver Fig. 2).
3. DESARROLLO DEL PROYECTO
3.1. Planteamiento
Para poder cumplir con los objetivos planteados, en el diseo
del
robotse tuvieron en cuenta ciertos requerimientos
especficos:
Fuerza.El robot debe ser capaz de mover una carga de
aproximadamente 25 kg.
Velocidad. El robot debe ser capaz de moverse a una
velocidad
superior a 2.5 m/s sin carga.
Robustez estructural. La estructura del robot debe soportar
golpes
fuertes similares a los que recibira de otro dispositivo similar
a s
mismo.
Autonoma e inteligencia. El robot debe ser completamente
autnomo, y debe ser capaz de detectar objetos en un rea
definida para posteriormente desplazarlos fuera del rea.
Reglamentos. El robot debe respetar las restricciones
impuestas
por los reglamentos internacionales de robots sumo.
Economa. El presupuesto es limitado, por lo que se debe
economizar siempre y cuando no se sacrifique excesivamente
alguno de los factores anteriores.
Experiencias de terceros. Las experiencias de otras personas
y
distintos diseos son una buena fuente de informacin, por lo
que
Figura 2. Estrategia de seuelos configurables del
robot Rokuzigen K. Tomado de FUJISOFT (2011)
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se considerar adoptar en el diseo, elementos probados en
prctica por otros, y se perfeccionarn.
3.2. Diseo Mecnico
Con base en las caractersticas anteriores, se seleccionaron
los
componentes que conforman la parte mecnica. En la Figura 3
se
encuentra un plano general del diseo mecnico del robot. Para
ver en detalle los planos de fabricacin remitirse al Anexo
1.
Forma bsica. La forma ms usada a nivel mundial de un robot
sumo es de carro con traccin a dos o cuatro ruedas. En este
caso
se escogi una distribucin a dos ruedas ya que implica menor
cantidad de componentes y simplifica el diseo de mecanismos
de
transmisin.
Fuerza de empuje mxima. Para aumentar la fuerza mxima de
empuje que puede ejercer el carro se utilizaron imanes de
neodimio en la base del robot que le permitan aumentar la
fuerza
normal y por ende la friccin entre las llantas y la zona de
combate metlica. Para facilitar su fijacin, los imanes
poseen
agujero avellanado de 1/8 de pulgada.
Motores. La fuente de potencia mecnica del robot debe ser
capaz
de suministrar toda la energa que requiere ste para moverse
y
mover la carga, adems debe ser lo suficientemente pequeo y
liviano para no exceder los lmites reglamentarios. Es por
estas
razones que se escogieron dos motores del fabricante suizo
Maxon
Motor A.G., caracterizados por su alta eficiencia, alto torque
y
bajo peso.
Chasis. Un material liviano y resistente a impactos que sera
ideal
para el proyecto es aluminio en aleacin 2017, tambin llamado
Duraluminio. Sin embargo, debido a la poca disponibilidad
del
material, se decidi usar acrlico de 6mm de espesor.
Figura 3. Diseo CAD del robot sumo.
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Reduccin de velocidad. Para que el robot pueda mover la
carga
deseada se debe aumentar el torque en las llantas del robot, por
lo
que se requiere un reductor de velocidad. Debido a las
limitaciones de espacio y a los torques que se deben transmitir,
se
eligi un sistema de engranajes rectos de acero. Las
caractersticas
de los engranajes se encuentran en la Tabla 1 y los clculos en
el
Anexo 3.
Tabla 1. Clculos de la reduccin de velocidad
Engranaje # Dientes Mdulo Diametro (mm) Diametro eje (mm)
Motor 14.00 0.8 11.2 6.00
2 36.00 0.8 28.8 6.00
3 14.00 1 14 6.00
Llanta 28.00 1 28 8.00
La reduccin total de velocidad tiene una relacin de 1:5.14, y
se
hace en dos etapas, la primera de 1:2 y la segunda de
1:2.57.
Debido al alto costo de fabricar engranajes a pedido se
decidi
adquirir los engranajes prefabricados, y la seleccin de
engranajes
se realiz en funcin de los artculos disponibles en el
catlogo
del proveedor (MISUMI, 2012).
Fijacin eje-engranaje. Para garantizar que el engranaje no
se
deslice y pueda transmitir potencia mecnica se debe fijar el
engranaje al eje. La Organizacin Internacional de
Normalizacin
(ISO) establece tolerancias especficas para el nivel de
fijacin
requerido por la aplicacin. Para el caso de este proyecto se
requiere una fijacin fuerte con agujero base, por lo que los
ejes
deben incrementar su dimetro segn el estndar ISO (Beardmore,
2010).La fijacin de los engranajes con los ejes se realizara
aplicando presin, calentamiento del engranaje y enfriamiento
del
eje.
Acople eje-chasis. Los ejes se fijan a la parte mvil de un
rodamiento tipo balinera por medio de un cambio de seccin en
un extremo del eje, y con un circlip en el otro (ver Fig.
4).
Figura 4. Rodamientos acoplados al chasis con
circlips.
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Soporte frontal. La parte frontal del robot es la parte que
efecta
los ataques, esto implica que debe ser muy resistente y
duradera,
por lo cual se dise y fabric en acero galvanizado calibre 16
y
se dobl a medida (ver Fig. 5).
3.3. Seleccin de componentes parte electrnica
Unidad de procesamiento. Se decidi usar un microcontrolador
de
la empresa Microchip, de la familia PIC32. Este
microcontrolador
permite frecuencias de reloj de hasta 80MHz, y posee todos
los
perifricos necesarios para implementar la lgica de control
del
robot. El microcontrolador hace parte de una herramienta de
desarrollo ChipKIT UNO32fabricada por Digilent Inc., y
basada
en una plataforma de hardware Arduino, lo que hace al
dispositivo
compatible con diversas tarjetas de expansin y permite
disponer
de grandes cantidades de informacin disponible en la red
acerca
de proyectos similares (ver Fig. 6).
Fuentes de energa. El robot debe ser autnomo respecto a su
fuente de energa, de manera que no dependa de una fuente
Figura 5. Soporte frontal de cuchilla
Figura 6. Tarjeta de desarrollo ChipKIT UNO32.
Tomado de Digilent (2011).
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externa a s mismo, lo que implica el uso de una batera. Debido
a
la gran cantidad de energa que pueden consumir los motores y
el
robot en general, se requiere de una batera de gran capacidad
de
almacenamiento, y al mismo tiempo se deben respetar las
restricciones de peso y tamao, por lo que debe ser liviana y
pequea. Se opt por usar bateras de litio-polmero, ya que se
caracterizan por tener una alta densidad volumtrica de energa
y
una capacidad de descarga. Cabe aclarar que se usar un
conjunto
de bateras para la etapa de potencia, y una batera
independiente
para alimentar la etapa de control.
Enlace ptico. Para vincular las seales de control con la etapa
de
potencia y mantenerlas aisladas elctricamente se usaron
optoacopladores. Para la seleccin de estos se tuvieron en
cuenta
ciertos criterios:
Velocidad de suicheo adecuada para poder controlar la velocidad
de los motores por modulacin de ancho de pulso
(PWM)
Bajo consumo de corriente del emisor para simplificar el diseo y
no aadir etapas de amplificacin.
Tamao adecuado para circuito impreso de dimensiones
limitadas.
Se encontraron dos dispositivos que encajaban en estas
caractersticas: el 4N26 y el 6N136. El ltimo maneja
frecuencias
de suicheo muy superiores a las del 4N26 (ver Fig. 7), pero
requiere una etapa de amplificacin para manejar el emisor, por
lo
que se escogi el primero. Adems, la frecuencia mxima de la
seal de PWM es de 10KHz, por lo que el optoacoplador
escogido
puede realizar su labor adecuadamente.
Controlador de motores. En etapas previas de diseo se pens
en
utilizar un controlador fabricado con transistores MOSFET de
alta
potencia, para manejar hasta 50 amperios. Sin embargo, por
motivos de tiempo y costos, se decidi implementar un driver
(a)
(b)
Figura 7. Salida de optoacopladores a 23KHz, (a)
6N136, (b) 4N26.
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integrado de marca Freescale, el cual maneja una corriente
nominal de 5 Amperios y una corriente pico de 10 Amperios.
Este
cambio simplifica el diseo del circuito de forma sustancial.
Sensores. Para la deteccin de enemigo se propone el uso de
sensores de distancia SHARP GP2D12, los cuales ofrecen
distancias de hasta 80 cm con tiempos de respuesta de mximo
45
ms. Para la deteccin de borde se escogieron sensores opto-
reflectivos QRD1114.
Mando a distancia. El robot, al ser autnomo, puede ser
riesgoso
en caso de mal funcionamiento, por esto se implementar un
sistema de paro de emergencia a distancia por medio de un
sistema de radiofrecuencia proporcional de 2.4GHz.
3.4. Circuitera
Los componentes previamente mencionados se integraron por
medio de tres circuitos impresos (PCB), esto se hizo debido a
la
modularidad que permite Arduino, y a la necesidad de
aprovechar
el reducido espacio disponible en el robot.
El circuito que interacta directamente con el Arduino posee
las
conexiones a los circuitos de potencia, junto con los
optoacopladores. Los otros dos circuitos se encargan de
controlar
los motores por medio del driver Freescale, y adems tienen
las
conexiones a la fuente del circuito de potencia y a los
motores
directamente. Para ver los circuitos terminados y montados
sobre
el robot, ver Figura 8, y para ver en detalle los circuitos ver
Anexo
2.
Figura 8. Circuitos montados y conectados sobre el
robot.
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4. PROBLEMAS Y SOLUCIONES
4.1. Fijacin del engranaje del eje del motor
Los engranajes de los motores tienen agujero roscado para
fijacin con tornillo prisionero, se aprovechar esto y se
modificar el eje del motor para que admita la entrada parcial
del
prisionero de manera que fije ambas partes.
4.2. Fijacin de los engranajes a los ejes
Para garantizar que no ocurran deslizamientos entre los ejes y
los
engranajes, se utiliz cloruro de metileno para fundir el eje con
el
engranaje de acrlico. Aun no se fijan los engranajes
metlicos.
4.3. Materiales localmente no disponibles
A pesar de que materiales como el aluminio 2017 son escasos
a
nivel local, existen otros similares con las caractersticas
mecnicas adecuadas, se escogi acrlico 6 mm.
4.4. El frente es muy propenso a daarse por impactos
Se us acero galvanizado de un espesor adecuado en la parte
frontal para que fuera resistente a impactos.
4.5. Las altas corrientes de arranque estn afectando el
funcionamiento del circuito
Las pruebas realizadas con los controladores de motores
demostraron que el consumo al arranque es ms alto del que
pueden soportar los circuitos integrados, por lo cual deben
ser
reemplazados por un controlador adecuado para la tarea.
4.6. Las altas corrientes que circulan por los circuitos de
potencia destruyen sus pistas
Se reforzaron las pistas con una cubierta gruesa de estao,
aumentando su conductividad y reduciendo el riesgo de
destruccin por sobrecorriente.
5. CONCLUSIONES
Se realiz parte del diseo del robot, incluyendo la parte
mecnica
y la parte electrnica casi por completo, sin embargo, esta
ltima
debe somterse a una etapa de rediseo, ya que demostr no ser
apta para soportar las corrientes de arranque de los
motores.
A la fecha de este artculo el robot no ha sido terminado, y
los
objetivos no se han cumplido a cabalidad, sin embargo el
proyecto continuar y ser terminado el mismo ao.
Se debe tener precaucin con la cantidad de corriente que
puede
circular por una pista de circuito impreso o por un conductor,
ya
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que superar este lmite puede llevar a daos irreparables en
el
circuito y causar accidentes.
El proceso de diseo de un modelo CAD de un robot permite
encontrar errores que pueden ocurrir en el proceso de
fabricacin,
de manera que las herramientas CAD permiten corregir
problemas
de forma rpida desde la etapa de diseo.
En la planeacin del cronograma de un proyecto de fabricacin
de
prototipo se deben tener en cuenta tiempos de envo de
componentes y se debe reservar un poco de tiempo para
imprevistos.
REFERENCIAS
Asada, M., DAndrea, R., Birk, A., Kitano, H., Veloso, M., (2000)
Robotics in Edutainment, En Robotics and Automation,
Proceedings. ICRA
Beardmore, R., (2010) Index of ISO Hole and Shaft
tolerances/limits, En lnea:
http://www.roymech.co.uk/Useful_Tables/ISO_Tolerances/IS
O_LIMITS.htm, consultado en 20/04/2012
Chung, C.J., Anneberg, L., (2003)Robotics Contests and
Computer Science and Engineering Education.33rd
ASEE/lEEE Frontiers in Education Conference, Boul-der CO,
USA.
Cook, D., (2009)Robot Building for Beginners. David Cook,
Berkeley CA, USA.ISBN: 978-1-4302-2748-9
FUJISOFT INC., (2012) Robot Sumo TournamentOutline, en
lnea: http://www.fsi.co.jp/sumo/about/outline02.html,
consultado en 09/04/2012
Miles, P., (2002)Robot Sumo: The Oficial Guide.McGraw-Hill
Osborne, Berkeley CA, USA.ISBN: -07-222617-X
MISUMI USA, (2012) Online Catalog, en lnea:
http://us.misumi-
ec.com/mech/, consultado en 09/04/2012
Rodnov, V., (2011) One Yukoh Point.VitalijRodnov, Klaipedas,
Lituania. En linea: www.balticrobotsumo.org, consultado en
2012-04-09.
AUTOR
Luis Miguel ARISTIZBAL GMEZ, nace el
28 de mayo de 1989, estudia parte de la
escuela primaria en el Colegio Salesiano el
Sufragio, en 1998 es transferido al Instituto
Salesiano Pedro Justo Berro, institucin de la
cual obtiene el ttulo de bachiller tcnico en el
2006. En el 2007 comienza sus estudios de
ingeniera electrnica en la Universidad
Pontificia Bolivariana, en el mismo ao labora en la empresa
Colcircuitos desempeando el cargo de auxiliar de ingeniera
durante 9 meses. . Ha participado en la olimpiada robtica en
San
Gil (2009), en Robogames, San Francisco (2011), en la UPB,
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Medelln (2011) y en la competencia All-Japan Robot Sumo,
Tokio (2011). Actualmente cursa el noveno semestre de
ingeniera
Electrnica en la UPB.
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ANEXO 1 DISEO MECNICO DEL ROBOT
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ANEXO 2 DISEO DE TARJETAS ELECTRNICAS
Esquema de tarjeta de conexiones
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Esquema de Controlador de motor
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Diseo fsico de las tarjetas, de conexiones (centro) y
controladores de motores (derecha e izquierda)
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ANEXO 3 CLCULO DE ENGRANAJES
Motor Specs Required values
nominal speed (RPM) 6500,00
wheel dia. (m) 0,04
nominal speed (rad/s) 680,68
Speed (m/s) 2,50
rot. speed (rad/s) 125,00
rot. speed (RPM) 1193,66
Teeth # Module Pitch Diameter (mm) Shaft Diameter (mm)
Motor gear 14,00 0,8 11,2 6,00
Gear 2 36,00 0,8 28,8 6,00
Gear 3 14,00 1 14 6,00
Wheel gear 28,00 1 28 8,00
First stage speed (RPM) 2527,78
First stage 2,57
Second stage speed (RPM) 1263,89
Second stage 2,00
Speed (m/s) 2,65
Total reduction 5,14
