Robot De Tracción Diferencial (Differential Drive)

La robótica de enjambre se inspira en insectos que actúan colaborativamente. Es una disciplina basada en conjuntos de robots que se coordinan para realizar tareas grupales. Los robots individuales deben ser capaces de sensar y actuar en un ambiente real. Entre las instituciones que poseen plataformas para probar robótica de enjambre están Georgia Tech (Estados Unidos), Aalborg University (Dinamarca), y EPFL (Suiza). El robot consta de actuadores (llantas), el módulo de potencia, un conjunto de sensores (módulo de instrumentación electrónica) y un módulo de comunicación inalámbrica.

El robot es relevante por su costo relativamente bajo, de aproximadamente $167, comparado con otras plataformas que pueden costar más de $1000. El diseño es modular, escalable, y fue realizado por estudiantes de la Universidad del Valle de Guatemala, durante el año 2017.

Step 1: Módulos Del Robot Y Listado De Materiales

El robot se divide en tres módulos:

Estructura y potencia eléctrica
Instrumentación electrónica (sensores y la programación que los gobierna)
Comunicación inalámbrica (WiFi)

Para la elaboración del robot se requiere disponibilidad de las siguientes herramientas:

impresora 3D
cortadora láser
fresadora de circuitos.

En caso de que no se cuente con ellas, se pueden solicitar servicios en línea como pcbcart para PCB, o sculpteo para impresión 3D y corte láser.

Se adjunta un archivo de Excel con los materiales necesarios para fabricar el robot. El precio calculado de $167 por robot se calculó sin incluir el costo ni materiales para la impresora 3D, cortadora, y fresadora.

En el listado hay materiales que se adquirieron en línea (mouser, adafruit, robotshop), por lo que se debe tomar en cuenta el tiempo de envío previo a la fabricación del robot.

Costos Robot.xlsx
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Step 2: Fabricación De Los Circuitos Impresos (PCB)

El diseño del robot incluye tres PCB. Se adjuntan los archivos Gerber para su fabricación.

Placa de potencia y control de motores, dos capas. Fabricación PCB potencia
Placa de control de sensores ultrasónicos, dos capas (Gerber PCB control ultrasonicos final.zip)
Placa de módulos WiFi, Teensy, IMU*, una capa (Gerber PCB modulos final.zip)

*La IMU es opcional. Se recomienda utilizar una de 9 grados de libertad con acelerómetro, giroscopio y magnetómetro. Se realizaron pruebas con una de 6 DOF y no se obtuvieron resultados satisfactorios.

Si no se cuenta con una fresadora de circuitos, se debe tomar en cuenta el tiempo de fabricación y de envío de un servicio en línea.

Si se desea modificar las placas antes de mandarlas a fabricar, se adjuntan los archivos para modificar las placas.

Recomendación:

Soldar de primero los componentes SMD mas pequeños hasta los mas grandes.

Utilizar equipo adecuado para realizar soldadura SMD.

Github del proyecto

Step 3: Impresión De Piezas 3D Y Corte Láser

Para el robot son necesarias las siguientes piezas (Entre paréntesis se indica la cantidad):

Impresora 3D:

base ultradonicos1)
porta switch y fusible (1)
espaciadores largos de placa de potencia y placa de sensores ultrasónicos (2)
espaciadores cortos de placa de potencia (4)
ball caster (1)*

Cortadora láser:

porta bateria MDF(2)
base de MDF (1)
Tapa de acrílico (1)

*El Ball caster se compone de una pieza impresa y una canica que funcionará como la tercera rueda.

Se adjuntan los archivos necesarios para la impresora 3D de cada pieza y para el corte de cada pieza 2D. Solo deben de ser exportados a stl desde inventor 2018 o sacar los archivos .stl y .pdf de la carpeta llamadafabricar.

Se adjunta también el ensamblaje en inventor (assemblyfinalultimaversion) para poder entender mejor la estructura o por si se desea modificar.

Piezas 3D y 2D

Step 4: Soldadura De Componentes En Los PCB

Primero se hace la soldadura de componentes de superficie, del más pequeño al más grande. Luego se hace la soldadura de componentes throug-hole.

Se recomienda usar pasta y no flux. La limpieza del PCB usando acetona solo remueve la pasta.

Es importante regular la temperatura de la estación de soldadura SMD, para no dañar los componentes.

Recomendaciones adicionales para cada placa:

Placa de potencia: Utilizar cables de un calibre que soporten al menos 1.5 amperios de carga continua para el switch de nueve polos. Antes de colocar las baterías lipo probar si no hay corto circuito. Consultar siempre los esquemáticos de la PCB o los diagramas de conexiones adjuntos para saber donde colocar cada componente .Mas detalles en: Fabricación de robot
Placa de sensores ultrasónicos: Los header macho de pines largos que interconectan con la placa de potencia deben ser soldados en la bottom layer, en la top layer debe quedar solo la parte de plástico con la menor cantidad posible de metal del pin. Los sensores ultrasónicos van montados sobre headers hembra, no se sueldan directamente en el PCB. Si no se tienen vías, se recomienda soldarlas con cable y estaño, removiendo después las puntas con un alicate.
Placa de módulos: El diseño del PCB tiene headers adicionales que son opcionales. Se recomienda solo soldar los headers hembra para el teensy, para el WiFi y headers hembra de pines largos para la interconexión con el PCB de sensores ultrasónicos. (La IMU se deja opcional). Hay espacio para colocar headers que dan acceso a otros pines del Teensy, más adelante se muestra un diagrama de ellos.

Step 5: Armar La Estructura

Video instruccional:

Video

Step 6: Conexiones Eléctricas En La Placa De Potencia

Conexiones eléctricas de los motores, baterías y encoders

A los encoders se les debe retirar la resistencia R4 y en su lugar colocar estaño o un trozo de alambre, para que funcione con 3.3V.

En el diagrama se muestra la distribución de cómo deben ir las conexiones. Los encoders utilizados poseen redundancia en la conexión de GND y 3.3V. En la placa de potencia solo hay dos pines de 3.3V y dos de GND, uno para cada encoder. Lo más importante es el orden de las señales de los encoders en la placa de potencia. Si se desea otro orden, se debe cambiar la programación del mirocontrolador.

También es importante la conexión de motores, ya que si se intercambian las posiciones - y +, el robot irá en sentido contrario. Esto se puede arreglar modificando la programación del microcontrolador.

Conexión del switch de 9 polos y fusible

También se agrega un diagrama para conectar el switch de 9 polos a la placa de potencia, al igual que la conexión del fusible. Este switch es importante, ya que en una de las posiciones ON coloca en paralelo a las baterías para permitir la carga. En la otra posición ON, las baterías se colocan en serie y alimentan los reguladores de voltaje de 5V y 3.3V, que distribuyen energía a todo el robot. Por eso es clave conectarlo adecuadamente.

En la línea que pasa por el pin 9 del switch (ver diagrama) se agrega el fusible de protección de 1A.

Step 7: Ensamblar La Parte Superior (Sensores, WiFi Y Teensy)

Colocar los seis sensores ultrasónicos en su base.
Introducir los sensores, sosteniendo la base, en los headers hembra que se soldaron en la placa hexagonal.
Colocar el Teensy y el WiFi ESP8266 en la placa de módulos. Si se desea, también se debe introducir la IMU en los headers.
Introducir la placa de módulos en la placa de sensores ultrasónicos, cuidando que los headers hembra de patas largas no se doblen.
Introducir la parte superior en las barras roscadas, verificando que sea la orientación correcta. Solo de una forma los 12 headers macho de patas largas de la parte superior encajan con los 12 headers hembra de la placa de potencia.

Step 8: Calibración De Encoders Y Verificación De Señales

Antes de iniciar las pruebas es importante calibrar los encoders.

Para ello se tienen los potenciómetros de los encoders, que ajustan la sensibilidad. Con un osciloscopio se debe observar dos señales cuadradas en cada encoder, desfasadas 90°. Al girar la llanta manualmente hacia adelante, una señal aparece antes que la otra. Al girar la llanta hacia atrás, la señal que antes aparece antes, ahora aparece después.

Otra forma de calibrar los encoders, aunque es menos eficiente y puede demorar más tiempo, es leyendo el contador de cada llanta desde la computadora.

Se adjunta el diagrama de pines de la placa de módulos, a la que se le soldaron headers hembra como puntos de prueba para verificar las señales con un osciloscopio.

Step 9: Cargar El Firmware Del Robot

Para realizar pruebas con algoritmos de control, se recomienda cargar el firmware que se adjunta. Es un script de arduino que envía datos a la computadora y recibe instrucciones de ella, vía WiFi (con el módulo ESP8266).