5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (V CIBELEC 2012)

Desarrollo de un Carro-Robot Teledirigido para la manipulación de Objetos Yedith Bonilla, Juan Valero, Cecilia Sandoval Resumen— El presente trabajo consiste en el diseño e implementación de un carro manipulador de objetos a distancia a través de un mecanismo robótico tele-operado, usando el protocolo de comunicación 802.15.4 (Xbee) para comunicación, entre el carro-robot y la aplicación diseñada para su monitoreo y control. El sistema de control está basado en microcontroladores PIC (Peripheral Interface Controller), que fueron programados en PICBasic; el diseño cuenta con un brazo y pinza robótica capaz de recolectar y manipular objetos remotos, la cual puede ser controlada a través de la aplicación ó por medio de una interface diseñada que consiste en un guante con sensores fotoeléctricos para detectar el movimiento de los dedos de la mano del usuario y reproducirlos a distancia en los servomotores que controlan la pinza. Palabras claves— Carro-Robot, 802.15.4, Microcontroladores.

Teledirigido,

Protocolo

I. INTRODUCCIÓN La tele-robótica es ampliamente utilizada en aplicaciones que ofrezcan facilidades en tareas dirigidas de forma remota [1], así mismo es un objeto de estudio vigente en investigaciones y desarrollos para operaciones en zonas de difícil acceso, en las cuales un robot móvil permite apoyar al operador en tareas de exploración y control [2]. En este artículo se presenta la descripción del diseño e implementación de un carro manipulador de objetos a distancia a través de un mecanismo robótico tele-operado, usando el protocolo de comunicación 802.15.4 (Xbee) para comunicación, entre el carro-robot y la aplicación diseñada para su monitoreo y control, extendiendo las capacidades sensoriales y motoras de éste a localizaciones remotas [3]. El sistema de control está basado en microcontroladores PIC, que fueron programados en PicBasic; el diseño cuenta con un brazo y pinza robótica capaz de recolectar y manipular objetos remotos, la cual puede ser controlada a través de la aplicación ó por medio de una interface diseñada.

Artículo recibido el 03 de Febrero de 2012. Y.B. y J.V. Investigador del Grupo de Investigación en Tecnologías Digitales Aplicadas a Telecomunicaciones (GITDAT) de la UNEFA. E-mail: [email protected]; [email protected] C.S.R. Investigador acreditada en el PEII, adscrita al Grupo de Investigación en Tecnologías Digitales Aplicadas a Telecomunicaciones (GITDAT) de la UNEFA, investigador adjunto al Instituto de Matemáticas y Cómputo Aplicado de la Universidad de Carabobo, profesora de la UNEFA, departamento de Telecomunicaciones, Maracay, Estado Aragua, Venezuela, E-mail: [email protected]

El sistema cuenta con sensórica avanzada, se le incorporó un sensor de proximidad y se ha propuesto un sistema de posicionamiento global para verificar la ubicación en un perímetro determinado, una cámara con un rango de giro de 360° para evaluar con exactitud las condiciones de la zona y visión nocturna para monitorear las tareas del sistema. El carro-robot presenta comunicación con una red de sistemas autónomos en un rango de 1.6 Km con línea de vista y de 100m en áreas cerradas comprobado por medio de pruebas del alcance de la comunicación, usando el módulo XBEE encargado de la trasmisión, las tecnologías de comunicación inalámbrica pueden ser consultadas en [4]. Entre sus aportes se puede mencionar que se ha propuesto como método de optimización del consumo energético, la des-habilitación de los módulos de transmisión para cuando no son requeridas, cuenta con modo tele-dirigido y modo autónomo que le permite seguir funcionando y recabando información aun sin comunicación con el sistema de control, lo que lo convierte en un sistema eficiente para la manipulación de objetos a distancia en zonas bajo ciertas condiciones específicas. De lo anterior, se detectó la necesidad de estudiar el diseño de un sistema robótico tele-dirigido para la manipulación de objetos, a través de una pinza manejada a distancia, según indicaciones del operador con una instrucción dada desde la computadora, el cual transmite por comunicación serial al computador la distancia a la que el objeto se encuentra. Este proyecto ha sido desarrollado en el Grupo de Investigación en Tecnologías Digitales Aplicadas a Telecomunicaciones, adscrito a la UNEFA (Universidad Nacional Experimental de las Fuerzas Armadas). II. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA El funcionamiento de los servomotores es controlado por el PIC16F84 configurado como esclavo, en función de los comandos enviados desde el microcontrolador maestro, el PIC16F877A. La detección de distancia está a cargo de un sensor de ultrasonido, por emisión de ondas y éstas al encontrarse con un objeto u obstáculo rebotan, la reflexión de la onda es detectada por el sensor, donde el tiempo de rebote permite el cálculo de la distancia, así el PIC envía la información por trasmisión serial inalámbrica al computador, esto a través de módulos XBEE encargados de la trasmisión y recepción. Por otra parte, adicional a la detección de obstáculos el carro robótico es capaz tomar objetos según desee quien lo controle, con la ayuda de un brazo robótico y una pinza ubicada en el extremo del mismo. El movimiento de la pinza (abre y cierra),

5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (V CIBELEC 2012) así como del brazo (sube y baja), a través del accionamiento por medio de servomotores. Para el control de la pinza se propuso adicionar una cámara hará el enlace directo con el sistema de control para que el manejo del mismo sea mucho más sencillo, dinámico y exacto para el usuario. Para poder gobernar los motores debemos crear una etapa intermedia, entre la electrónica de control y los motores, para el control de dirección y funcionamiento del motor se escogió el L293b, que lleva incorporados diodos para contrarrestar los picos que pudieran presentarse a causa de las bobinas de los motores. Este chip lleva integrados dos puentes H (uno para cada motor), el cual soporta 1A de corriente por cada puente. III. MÓDULOS DEL CARRO-ROBOT TELEDIRIGIDO En este proyecto, se puede conmutar entre dos opciones de control las cuales corresponden a: control teledirigido a través de una interface de control corriendo la aplicación en un dispositivo de acceso inalámbrico (computadora portátil) y modo autónomo, el esquema se presenta en la figura 1.

MAX232

Servo Motor

M O T O R Fig.1. Diagrama de Bloques del Carro-Robot Teledirigido La etapa de control del carro robot, está compuesta por un microcontrolador maestro PIC16F877A, encargado de la lógica de control del carro-robot, el cual tiene las señales de control del motor DC en los pines RB.6 y RB.7, conectados estos al driver L293B es una etapa intermedia entre la etapa de control, señal TTL (Transistor-Transistor Logic) y la señal de alimentación del motor, permitiendo una corriente de 1A. Las señales de comunicación al mando a distancia están en los pines RC.6 y RC.7, de la USART por hardware, los cuales se encuentran conectados al convertidor de TTL a serial MAX232, cuyos puertos van al módulo XBee. Se han definido como pines para la comunicación serial por software RA.1 y RA.2, los cuales están conectados al PIC16F84, el cual está configurado como esclavo para el manejo de los servos en función de los comandos enviados desde el control maestro, la tarjeta de circuito impreso PCB (Printed Circuit Board) se presenta en la figura 2.

Motor DC Módulo de Alimentación

PIC16F84 SERVOS

IV. ESTRUCTURA DEL CARRO ROBOT El carro robot se encuentra estructurado en configuración Ackerman [5-6], el motor de accionamiento del eje trasero es un motor DC y el motor de direccionamiento del carro acoplado al eje delantero es un servomotor, la distribución de los componentes se presenta en la figura 3.

PIC 16F877A (Control Maestro)

L293B

Fig. 2. Diagrama de la tarjeta PCB (vista posterior)

Tarjeta de Control Fig.3. Diagrama de Bloques del Carro-Robot Teledirigido A. Modo Teledirigido. Para este modo se seleccionó la tecnología XBee que permite comunicación a una frecuencia de 2.4 G [7], para este se envían los comandos desde el computador indicando a través de una interface la ubicación del Carro-Robot para eso se definió las condiciones con la recepción de los datos por parte del PIC en el cual cada comando seleccionará la rutina correspondiente para el manejo de los motores. Los módulos XBee fueron diseñados para ser montados en un receptáculo (hembra) y por lo tanto no requiere ninguna soldadura cuando se esté montando en una tarjeta. Los kits de

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5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (V CIBELEC 2012) desarrollo de XBee-PRO contienen RS-232 y USB. Entre las características de operación del módulo se tiene que estos en ambientes internos presenta un alcance de 60m aproximados, en tanto que ambientes externos su alcance es de 1500m con línea de vista, la potencia de transmisión a 10mW es de 10dBm y la sensibilidad de recepción es de -102dBm, la corriente del módulo transmisor es de 295mA y la del módulo receptor de 45mA, a una alimentación nominal de 3.3 V a 25°C. Estos datos permiten establecer las especificaciones de operación del carro robot de acuerdo a los datos nominales, aun así se han realizado pruebas de funcionamiento para obtener los datos operativos del mismo. Se ha empleado la USART por hardware para la comunicación con la computadora en el modo tele-operado, para la transmisión inalámbrica se empleó el módulo XBee conectado al PIC a través de uno de sus puertos para la recepción de los comandos, el código de la rutina de comunicación se presenta en la tabla I. TABLA I. RUTINA DE COMUNICACIÓN DE ACCIONES DE LOS SERVO

SerInPORTA.1,16468,[SERVO1,SERVO2,SERVO3,RSERV O1,RSERVO2,RSERVO3] If SERVO1 = RSERVO1 And SERVO2 = RSERVO2 And SERVO3 = RSERVO3 Then If SERVO1 = 0 Or SERVO2 = 0 Or SERVO3 = 0 Then … HSerIn 1000, INI ,[Wait("AB"),DEC3 APINZA, DEC3 ABRAZO, DEC3 ACRUCE, DEC3 DMOTOR, DEC1 LUCES, DEC1 SIRENA] Los servomotores que se utilizaron para accionar el movimiento del brazo, el cruce del robot y la abertura y/o cierre de la pinza encargada de recolectar objetos son parte del sistema motor principal y secundario. Ahora bien, un servomotor es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señal codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. Los servomotores hacen uso de la modulación por ancho de pulsos (PWM) para controlar la dirección o posición de los motores de corriente continua. La mayoría trabaja en la frecuencia de los cincuenta hercios, así las señales PWM tendrán un periodo de veinte milisegundos. La electrónica dentro del servomotor responderá al ancho de la señal modulada. Si los circuitos dentro del servomotor reciben una señal de entre 0,5 a 1,4 milisegundos, este se moverá en sentido horario; entre 1,6 a 2 milisegundos moverá el servomotor en sentido anti-horario; 1,5 milisegundos representa un estado neutro para los servomotores estándares. Los servomotores se inicializaron en 90º, todos para sus estados originales los cuales se irán modificando a medida el usuario vaya variando el ángulo en el cual lo requiere. Para el accionamiento de los servos se calculó el pulso para accionar la función proporcional al dato transmitido, esto

considerando las características de los seleccionados, como se muestra en la figura 4.

servomotores

Fig. 4. Pulso de accionamiento de los servomotores Para emplear la instrucción servo, se toma como entrada el ángulo seleccionado, en la variable servo, dada la proporción correspondiente: 900 us 1500 us 2100us

0° 90° 180°

Basado en la relación de ángulo tiempo del pulso, tenemos la relación de la ecuación 1. Stime = (2100 – 900) / 180 *ANG + 900

(ec.1)

Con lo cual se obtuvo el código para el manejo de los servomotores, presentado en la tabla II. TABLA II. CÓDIGO DE LA TRADUCCIÓN DE ORDENES EN MOVIMIENTOS

S1 = (1200/180 * ANG1) + 900 S2 = (1200/180 * ANG2) + 900 S3 = (1200/180 * ANG3) + 900 Servo PORTB.0,S1 E1 = 2100 - S1 DelayUS E1 Servo PORTB.1,S2 E2 = 2100 - S2 DelayUS E2 Servo PORTB.3,S3 E3 = 2100 - S3 DelayUS E3 DelayUS 13700 Como se ha mencionado para la detección de los objetos se utiliza un sensor por ultrasonido elemento básico para poder saber si la distancia a la cual se encuentra del obstáculo más próximo. Los medidores ultrasónicos de distancia y sensores de ultrasonidos que se utilizan en los robots son, básicamente, un sistema de sonar. En el módulo de medición, un emisor lanza un tren de pulsos ultrasónicos con una frecuencia en el orden de los 38 a 50 Khz y el receptor espera el rebote. Se mide el tiempo entre la emisión y el retorno, lo que da como resultado la distancia entre el emisor y el objeto donde se produjo el rebote. Esta

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5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (V CIBELEC 2012) medición se calcula teniendo en cuenta la velocidad del sonido en el aire, que si bien varía según algunos parámetros ambientales, como la presión atmosférica, igualmente permite una medición bastante precisa [8]. Por medio de pruebas, se especificó a través de la programación un rango de medición, al detectar distancias mayores de obstáculo 1.60 metros delante, el mensaje que mostrará corresponde a fuera de rango. Las líneas de instrucción basadas en las ecuaciones del sensor se presentan en la tabla III. TABLA III. CÓDIGO PARA CÁLCULO DE DISTANCIA MEDIDA EN EL SENSOR DE ULTRASONIDO

PulsOut PORTC.0,10,High PulsIn PORTC.0,High,MEDICION MEDICION = MEDICION / 2 DIST = MEDICION / 29.034 MEDICION = DIST

cual por medio de un circuito integrado que convierte los niveles de las líneas de un puerto serie RS232 a niveles TTL y viceversa llamado MAX232, le comunica o transmite la información al PIC principal el cual se encarga de ubicar y direccionar las ordenes que se indicaron en forma correcta, para así darle efectividad a la acción determinada. El circuito integrado posee dos convertidores de nivel TTL a RS232 y otros dos que, a la inversa, convierten de RS232 a TTL. Estos convertidores son suficientes para manejar las cuatro señales más utilizadas del puerto serie del computador, que son TX, RX, RTS (Request to Send) y CTS (Clear to Send). Tomando en cuenta que TX es la señal de transmisión de datos para este caso el dato de medición de distancia que envía el sensor, visto desde el carro-robot y las instrucciones de control desde el computador, RX es la de recepción, y RTS y CTS se utilizan para establecer el protocolo para el envío y recepción de los datos. VI. INTERFAZ

Todo el control se hace autónomo en este caso. Ya que las ordenes son transmitidas desde el PIC posteriormente que la medición por medio del sensor de ultrasonido fue realizada. A medida que se está en el módulo de control autónomamente el usuario podrá también estar observando las imágenes transmitidas por la cámara en la zona que se encuentre el carro-robot. De esta forma se podrá volver a tomar control desde el módulo teledirigido por decisión propia o dejar que siga su curso en forma autónoma. De esta manera el accionara los cruces si se encuentra con un obstáculo de la misma manera como el usuario puede hacerlo en el otro módulo en la interfaz. Estos servomotores se encuentran dispuestos de tal manera que su circuitería ayude para un mejor y más exacto ángulo de aplicación, ideando la manera de esta forma para que en cada una de las situaciones en las que se aplique este proyecto pueda desempeñarse adecuadamente.

Esta interfaz define la comunicación inalámbrica entre el carrito robótico detector de obstáculos y recolector de objetos a control remoto desde el computador. La interfaz posee 2 botones dos de ellos directamente relacionados con la dirección de los motores DC y su control otros 2 opcionales con funciones de una alarma y de las luces que podrían instalarse a las aplicaciones de nuestro robot, 3 slider para modificar o decidir el ángulo exacto en el cual se quieren posicionar cada uno de los 3 servomotores. Como se presenta en la figura 5.

V. COMUNICACIÓN PARA CONTROL DEL CARRO ROBOT. Una de las características que se le ha incorporado a este proyecto de Carro-Robot consiste en el planteamiento del sistema de comunicación inalámbrico diseñado y construido con particularidades específicas para que el usuario tenga una amplia gama de imágenes y facilidades para el control, manejo y/o recuperación. Toda esta comunicación se hace por medio de los módulos Xbee, que trabajan bajo el protocolo de la IEE 802.15.4. Este modo de comunicación nos da la facilidad y la libertad de poder disponer de un sistema de control inalámbrico, confiable. De esta manera también se pudo eliminar el impedimento que causa el tener que mantener el carro-robot conectado de forma cableada constantemente. El esquema principal consiste en el envío de data indicada por el usuario que se encuentre frente a la interfaz de la portátil. Por medio del módulo XBee, esta data es recibida por el módulo XBee que se encuentra ubicado en el carro-robot, el

Fig.5 Panel de control de la Interface El telecontrol se hace por medio de una portátil que corre el programa ya establecido. Mostrando una ventana de acción donde se puede visualizar la distancia a la cual se encuentra de algún obstáculo, en esta ventana se presenta la distancia detectada por el sensor de proximidad, en este caso una distancia de 100 cm. También se puede visualizar los slider, por medio de estos se puede modificar el Angulo de GIRO del Carro-Robot, modificar la altura en la cual se quiere colocar la PINZA y también el cierre de la pinza que se denomino AGARRE. Igualmente en la ventana se visualizan cuatro botones por medio de los cuales el usuario puede activar o desactivar los motores DC que impulsan el Carro-Robot, estos

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5TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (V CIBELEC 2012) botones se denominan ADELANTE y ATRÁS. Los botones denominados SIRENA y LUCES están directamente dispuestos para activar la sirena y las luces leds que se encuentran en el Carro-Robot. Cada uno de estos cuatro botones pueden ser accionados al hacer clic sobre ellos o simplemente pulsando la tecla con la cual fueron programados. Cada uno de los comandos de control se transmite por comunicación serial en las tramas de datos, de esta forma se mantiene la comunicación entre el computador y el carro-robot usando para ello la comunicación inalámbrica bajo el estándar de los módulos XBEE. VII. IMPLEMENTACIÓN DEL CARRO ROBOT Para un mejor desempeño y mayor tiempo de funcionamiento del carro-robot, se diseñó en la PCB un conjunto de reguladores para garantizar un eficiente consumo de energía, y una distribución de la carga de las baterías, de acuerdo a las características específicas de la demanda de corriente. De esta manera se distribuyeron equitativamente las baterías para los diferentes sensores y motores que están en el Carro-Robot, se establecieron tres módulos de baterías, uno dispuesto para el módulo de transmisión RF (XBee) que es una batería de 9v recargable dispuesta en la parte inferior del Carro-Robot; el segundo módulo compuesto por 4 baterías de 1,5V que alimentan directamente el motor DC, la alarma y las luces, en el tercer módulo una batería de 7,2 V es la encargada de alimentar el sensor de ultrasonido y los servomotores. Cada una de estas distribuciones se pueden observar detalladamente en la Figuras 6.

En total un conjunto de características que suman fiabilidad y precisión del carro robot diseñado. Los resultados en la implementación del sistema han permitido validar una herramienta para la tele-operación de alto alcance del brazo y pinza robótica sobre el robot móvil, lo que ofrece una ventaja para manipulación de objetos de forma remota con una precisión aceptable para los fines de recolección y desplazamiento, aplicando la tecnología XBEE con el protocolo de comunicación 802.15.4 que resulta en una alternativa versátil. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 Este estándar describe las capas física y MAC de una red inalámbrica de baja tasa de transmisión (LR-WPAN) y por tanto, bajo coste [9]. Sus características básicas se presentan en la tabla VI. TABLA IV. CARACTERÍSTICAS DE LOS MÓDULOS XBEE

Tasa de transferencia máxima de 250 kbps. 16 canales en la banda de 2.4 GHz. Acceso al canal CSMA (Carrier Sense Multiple Access) / CA. Modulación QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) espectro ensanchado DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Encriptación AES (Advanced Encryption Standard). Hay dos tipos de nodos en una red 802.15.4: FFD (Full Function Device): Siempre encendido, actúa como un coordinador de red. RFD (Reduced Function Device): Pasa la mayoría del tiempo en el modo de mínimo consumo de potencia (SLEEP). Este protocolo permite la configuración de una red en topología estrella, en árbol o mallada, en la cual los nodos fijos se pueden configurar la mayor parte del tiempo en estado de mínimo consumo [9], siendo un posible trabajo futuro diseñar una red para diversos carros-robot en aplicaciones de robótica colaborativa. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]

Fig.6. Carro Robot Teledirigido implementado

[2]

Entre las características principales de operación del robot se presentan:

[3]

Transmisión inalámbrica a tiempo real a 2.4 GHz. Transmisión a 9600 baudios sin bit de paridad. Alcance de 60 m. sin línea de vista y de 850 m. con línea de vista. Detección de distancia desde la ubicación del objeto a la del robot de hasta 160 cm, calculada para una temperatura nominal de 25°C. Robot Móvil en configuración Ackerman, con tracción trasera. Dimensiones 35 cm x 20 cm x 15 cm Fuerza de la pinza de 2500 g. de capacidad. Velocidad de desplazamiento de 210 cm/min.

[5]

[4]

[6]

[7]

[8]

[9]

A. Gómez, J., Ollero, A. y García, “Teleoperación y Telerobótica”, Ed. Madrid: Prentice Hall, 2006 pp 97-117. M. Pancich, K. Perez, and E. Tovar, “Robot Móvil para exploración en lugares de difícil acceso para el ser humano”, Tesis de Ing. En Comunic. y Electrónica. Instituto Politécnico Nacional, México, 2008. A. Barrientos, L. F. Peñin, C. Balaguer, and R. Aracil, “Fundamentos de Robótica”, Segunda. Madrid: McGraw-Hill, Inc., 2007. R. Domínguez and T. Guerrero, “Robot controlador por ordenador”, Universidad Politécnica de Catalunya, 2010. J. Cánovas G, “Robótica Móvil. Estudio y caracterización del robot móvil kjunior,” Universidad Politécnica de Cartagena, 2011. R. Silva Ortigoza; J. R. García Sánchez; V. R. Barrientos Sotelo; M. A. Molina Vilchis, “Una panorámica de los robots móviles”, Rev. Telematique, volumen 6, Número 3, 2007 Oyarce, A. (consultada en Septiembre, 2011) “XBee, Manual de Usuario”. Disponible en www.olimex.cl/pdf/Wireless/ZigBee/XBeeGuia_Usuario.pdf Parallax, (consultada en Julio, 2011). “Sensores inteligentes y sus aplicaciones Manual de Usuario”. Disponible en www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/sic/SmartSensorsv1.0-Spanish-v1.0.pdf P. Corral, B. Coronado, A. C. D. C Lima, “Design of Automatic Meter Reading based on Zigbee”, IEEE Latin America Transactions, Vol. 10, No.. 1, Jan. 2012, pp. 1150-1155

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