ONIIET 2017oniet.ubp.edu.ar/wp-content/uploads/2017/informes...ONIIET 2017 Olimpiadas Nacionales de Informática, Innovación, Electrónica y Telecomunicaciones INFORME DESCRIPTIVO

ONIIET 2017

Olimpiadas Nacionales de Informática, Innovación, Electrónica y Telecomunicaciones

INFORME DESCRIPTIVO

TÍTULO PROYECTO: "BARREDORA ROBÓTICA PARA USO INDUSTRIAL Y EN GRANDES SUPERFICIES" PRESENTADO POR ESCUELA: Nombre de la Institución: IPET n° 247 "Carlos A. Cassaffousth" Curso: 7mo. "D"

Domicilio: Deán Funes 1511 -Barrio Alberdi Localidad: Córdoba - Capital C.P: 5000 Departamento: Capital

Tel./ Fax: 0351 - 434 7845 Email: [email protected] Director: Profesora Gabriela Costilla

INTEGRANTES DEL PROYECTO: ALUMNOS PARTICIPANTES Apellido y Nombre: del Castillo, Damián Alexis Domicilio: Feliciano Chiclana 3322 - Barrio San Vicente Localidad: Córdoba - Capital

DNI Nº: 40247625 Fech.Nac.: 26/3/1997 Edad: 20 Tel/cel: 0351 2528643 Curso: 7° D

Apellido y Nombre:Verón, Alex Iván Domicilio: Calandria 213 - B° Chateau Carrera Localidad: Córdoba - Capital

DNI Nº: 41711406 Fech.Nac.: 01/02/1999 Edad: 18 Tel/cel: 0351 572 8441 Curso: 7° D

Apellido y Nombre: Esquivel, Jonathan Domicilio: Vicente Fatone 3244 - Poeta Lugones Localidad: Córdoba - Capital


Apellido y Nombre: Morales Yupatti, Facundo Manuel Domicilio: Dionisio de Puch 3311 - B° Gral. Mosconi Localidad: Córdoba - Capital

DNI Nº: 40 835 713 Fech.Nac.: 26/12/1997 Edad: 19 Tel/cel: 0351 7346276 Curso: 7° D

Apellido y Nombre: Mercado, Braian Nicolás Domicilio: Costa Canal s/n - Barrio Las Violetas Localidad: Córdoba - Capital

DNI Nº: 40 815 557 Fech.Nac.: 30/11/1997 Edad: 19 Tel/cel: 0351 3277403 Curso: : 7° D

Apellido y Nombre: Romano, Santiago Iván Domicilio: Tipayante 8011 - B° Argüello Localidad: Córdoba - Capital

DNI Nº: 41 555 109 Fech.Nac.:.30/11/1998 Edad: 18 Tel/cel: 09 11 6979 5644 Curso: : 7° D

Apellido y Nombre: Gómez-Luna, Adrián Emanuel Domicilio: Avellaneda 1301 Localidad: La Calera - Córdoba


DOCENTE RESPONSABLE Apellido y Nombre: Poblete, Sergio Patricio Noé D.N.I. Nº: 12997318

Tel.: 0351 - 6778 137 Email: [email protected]

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Fecha de inicio: Luego de una etapa formativa introductoria iniciada el 13/03/17, el proyecto se inicia formalmente el 03/05/17.

Duración: 23 semanas (se considera el receso invernal escolar en el mes de julio).

Esfuerzo en horas: 138 horas.

Personas afectadas: Participaron 7 (siete) personas en un promedio de 6 (seis) horas semanales.

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Indice General

1. Resumen .......................................................................................................................................... 3

2. Introducción .................................................................................................................................... 4

2.1. Antecedentes del proyecto ...................................................................................................... 4

2.2. Marco teórico o referencial y razones que motivaron el trabajo, situación problemática ..... 4

2.3. Precisión del problema ............................................................................................................. 5

2.4. Objetivos .................................................................................................................................. 6

2.5. Hipótesis de trabajo: ................................................................................................................ 6

3. Desarrollo ........................................................................................................................................ 6

3.1. Materiales y metodología ........................................................................................................ 6

3.1.1 Metodología ........................................................................................................................... 6

3.1.2. Materiales utilizados. ............................................................................................................ 7

3.1.2.1. Mecanum-wheels ......................................................................................................... 11

4. Resultados obtenidos .................................................................................................................... 15

5. Discusión ....................................................................................................................................... 15

6. Monitoreo ..................................................................................................................................... 15

7. Impacto previsto ........................................................................................................................... 15

8. Conclusiones.................................................................................................................................. 16

7. Bibliografía consultada .................................................................................................................. 16

Anexo I: Proyecto presentado en la asignatura "Proyecto Integrador" ........................................... 18

Anexo II: Presupuesto estimativo del Proyecto Institucional (abril-junio 2017) .............................. 53

Anexo III: Diagrama de Gantt de organización del Plan de Acción - Distribución de tareas ............ 55

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BARREDORA ROBÓTICA PARA USO INDUSTRIAL Y EN GRANDES SUPERFICIES S. Poblete Barbero, D. Del Castillo, J. Esquivel, F. Morales, S. Romano,

B. Mercado, A. Gómez-Luna, A. Verón 7mo. Año "D" Especialidad Electrónica

IPET 247 C. A. Cassaffousth Córdoba, Capital

e-mail: [email protected]

1. Resumen El presente informe describe el desarrollo de un sistema robótico de barrido para usos industriales y en grandes superficies, el cual toma como referencia a dispositivos manuales para barrido utilizados a esos efectos específicos y comercializados en nuestro medio, planteando una mejora de proceso a partir de una automatización de dicha tarea.

Este proyecto se enmarca dentro de los contenidos curriculares de las asignaturas Formación en Ambientes de Trabajo (F.A.T), Proyecto Integrador, Electrónica Industrial II y Emprendimiento, pertenecientes al 7mo. Año de la especialidad Electrónica en el IPEM 247 "Carlos A. Cassaffousth".

En las instancias iniciales del proyecto se verificó el alto interés de los alumnos por los desarrollos robóticos. A partir de allí se efectúo un trabajo conjunto exploratorio sobre el estado actual del arte en robótica. En función de ello, se comenzaron a realizar integraciones de conocimientos sobre electrónica y programación, tomando como soporte para ello el entorno Arduino.

Se detectó un proceso sobre el cual podría efectuarse una mejora: actualmente en nuestro medio el proceso de mantenimiento de limpieza de espacios industriales es llevado a cabo mediante elementos de barrido manuales, incluidas barredoras mecánicas industriales (tipo marca Kärcher1) las cuales son también propulsadas a mano por un operario.

A lo largo del desarrollo del proyecto se elaboraron tres prototipos de vehículos robóticos, de complejidad creciente en estructura y en programación, de manera de introducir gradualmente a los alumnos en la temática, y a los efectos de adquirir los conocimientos y destrezas necesarias para la elaboración del prototipo final.

Al tercer prototipo elaborado se le incorporó un tipo de rodamiento especial denominado mecanum-wheels, el cual permite el desplazamiento del vehículo de manera omnidireccional.

Para la navegación y control del vehículo se utiliza, en espacios abiertos (outdoor navigation), posicionamiento por GPS y radiocontrol, y para su uso en ambientes cerrados (indoor navigation), un sistema de sensores de ultrasonido. Está prevista en una siguiente etapa la anexión de un sistema de visión por computadora (Computer Vision) mediante cámaras láser infrarrojas de bajo costo, por ejemplo tipo Kinect de Microsoft, Structure Sensor, o similar.

1 https://www.kaercher.com/ar/professional/barredoras/barredoras-con-conductor-a-pie.html. Sitio consultado 14/09/2017.

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La incorporación al vehículo de una cámara común de video RGB permite la supervisión remota de la tarea de limpieza asignada al robot.

2. Introducción 2.1. Antecedentes del proyecto Dada la importancia social, científico-tecnológica y económica que día a día va adquiriendo el desarrollo de la robótica, y el rol preponderante que la electrónica y la programación juegan dentro de este campo, la asignatura F.A.T decidió presentar a comienzos del ciclo lectivo 2017 como Proyecto Institucional a desarrollarse dentro de su espacio curricular, el proyecto "Diseño y construcción de un vehículo de navegación autónoma".

Se contempló para la elección de esta temática, fundamentalmente, el gran interés que presenta la robótica para los estudiantes de la especialidad.

En la Feria de Ciencias del año 2016, nuestra asignatura F.A.T. colaboró con uno de los equipos expositores en aquel evento, elaborando un prototipo sencillo de robot fumigador, presentado como un complemento de un proyecto participante en esa oportunidad. Allí se pudo verificar el interés por parte de los alumnos en esta área de la tecnología.

2.2. Marco teórico o referencial y razones que motivaron el trabajo, situación problemática

Este proyecto se enmarca dentro de los contenidos curriculares de las asignaturas Formación en Ambientes de Trabajo (F.A.T), Proyecto Integrador, Electrónica Industrial II y Emprendimiento, pertenecientes al 7mo. Año de la especialidad Electrónica en el IPEM 247 "Carlos A. Cassaffousth". Se propone como una mejora de procesos, con aportes desde la robótica, en relación a prácticas vinculadas al trabajo.

Para coordinar el desarrollo transversal de contenidos, se consensuó, a comienzos del presente ciclo lectivo a través de la jefatura de Departamento de Electrónica, realizar un trabajo conjunto con las asignaturas arriba mencionadas, a los efectos de lograr un enfoque unificado orientado hacia la concreción del proyecto.

Dentro de la asignatura FAT, se efectuó desde comienzos de año, un refuerzo e integración de conocimientos en programación en lenguaje C y C++, sobre manejo de señales analógicas y digitales, y acerca de estructura y programación de microcontroladores. Para el desarrollo de estos temas, la plataforma Arduino se presentó como el entorno óptimo y abarcativo por excelencia. De este modo, durante los meses de marzo y abril se inició a los estudiantes en el campo de la robótica, utilizando dicha plataforma como soporte de experimentación y desarrollo.

Con los alumnos de la asignatura se analizaron y discutieron desde un comienzo el conjunto de problemáticas propias del proyecto en elaboración:

1.- Posibles aplicaciones del dispositivo desarrollado;

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2.- Programación y desarrollo de la electrónica del sistema;

3.- Elección del tipo de sistema de tracción a utilizar (ruedas, orugas, otras);

4.- Tipos de motores eléctricos necesarios, disponibilidad en nuestro medio, factibilidad de adquisición de los mismos;

5.- Dispositivos y software asociado para control de la navegación (sensores de ultrasonido, GPS, cámaras infrarrojas);

6.- Sistemas de comunicación y de control a utilizar;

7.- Accesorios a incorporar, según la aplicación a implementar (brazos robóticos, cámaras, paneles solares).

Durante el primer cuatrimestre del año se trabajó experimentando sobre cada una de estas temáticas.

2.3. Precisión del problema En un primer momento se pensó en continuar con el proyecto presentado el año anterior, un robot para utilización en fumigación. Pero, sin descartar esta posible aplicación, desde el punto de vista de la elaboración de un proyecto con proyección de emprendimiento, se analizó que, un robot de limpieza para uso industrial o en grandes superficies, de costo accesible, de fabricación nacional, se presentaba como una opción con grandes posibilidades de desarrollo e inserción en el mercado local.

Por ello, se optó por enfocar el proyecto en ese sentido:

- Un dispositivo robótico que efectuara la tarea rutinaria de un operario, tal como es el barrido de una superficie industrial amplia.

En relación a la elección del sistema de tracción a utilizar, se optó por reemplazar el uso de orugas y ruedas convencionales, por un dispositivo de desplazamiento denominado mecanum-wheels2, un tipo de rodamiento que permite al vehículo efectuar giros en cualquier ángulo respecto a su trayectoria de desplazamiento, por ejemplo de 90°, y realizar rotaciones de 360° alrededor de su eje vertical central.

Al ser planteado el avance del proyecto de esta manera, y dado que este dispositivo sería utilizado tanto en espacios abiertos (outdoor navigation) como en ambientes cerrados (hangares, tinglados, interiores de edificios) (indoor navigation), en los cuales no es factible la utilización de un sistema de navegación guiado por GPS, se analizó el agregado de un sistema a esos efectos.

Se propuso para una primera etapa la utilización de un sistema de sensores de ultrasonidos (indoor navigation) combinado con posicionamiento por GPS (outdoor navigation), y en una etapa posterior, el agregado de un sistema de visión por computadora basado en cámaras de laser infrarrojo, de tipo comercial y de precio accesible, como lo es el sensor Kinect fabricado por Microsoft, utilizado para juegos en la consola Xbox One, o el sensor RealSense de Intel, de uso en arquitectura para medición de distancias y volúmenes, ambos con un entorno de desarrollo (SDK-Software Development Kit) en C++ libre y abierto.

2 https://en.wikipedia.org/wiki/Mecanum_wheel

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2.4. Objetivos El presente proyecto tecnológico se propone el desarrollo de un dispositivo robótico para barrido en espacios industriales y grandes superficies, a un precio accesible, con materiales disponibles localmente para su producción, con posibilidades de inserción del producto en el mercado local y nacional, y que pueda dar lugar a un posible emprendimiento por parte de los estudiantes.

Para el sistema de guiado está previsto en una primera etapa, para espacios cerrados (indoor navigation) el control mediante sensores de ultrasonido y mediante comunicación por Bluetooth y radiocontrol.

En una segunda etapa se prevé efectuar la navegación por GPS en espacios abiertos, y para espacios cerrados la anexión de un sistema de visión por computadora basado en cámaras de láser infrarrojo de bajo costo (tipo Kinect de Microsoft, utilizada en consolas de juego Xbox).

2.5. Hipótesis de trabajo: H1: Es posible el desarrollo de un dispositivo que permita efectuar de manera sencilla y eficiente las tareas de limpieza (barrido) en grandes superficies, con un bajo costo, autonomía de funcionamiento, versatilidad de desplazamiento y seguridad operativa.

3. Desarrollo

3.1. Materiales y metodología

3.1.1 Metodología

Los pasos metodológicos implementados durante el desarrollo del proyecto fueron los siguientes:

a. Revisión de temas asociados e integración de conocimientos: Con el objeto de integrar conocimientos, en una instancia inicial, se efectuó una revisión de los conocimientos técnicos de los alumnos referentes al tratamiento de señales analógicas y digitales, de electrónica en general.

Se efectuó una introducción a los microcontroladores Atmel, en los cuales está basada la plataforma Arduino.

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Además, se revisaron y se aclararon dudas sobre conceptos y procedimientos de programación en C y C++.

b. Relevamiento: b.1. Relevamiento sobre estado actual del arte: Si bien existen una cantidad de fuentes bibliográficas referentes a investigaciones y desarrollos tecnológicos en esta área, la presente investigación se planteó desde el punto de vista metodológico como necesariamente de tipo exploratoria. Ello debido, por un lado, a la temática puntual sobre la función del dispositivo a elaborar, y por otro lado, al nivel educativo e informativo en la cual esta investigación se desarrolla. Era necesario en primer lugar, relevar el estado actual del arte en la materia. En segundo término, esta Información debía hacerse transferible de manera asequible y apropiada para los alumnos del 7° año de escuela secundaria técnica.

b.2. Relevamiento sobre materiales: se relevaron las características de los materiales electrónicos, mecánicos y electromecánicos necesarios para la implementación del proyecto, su disponibilidad en nuestro medio, proveedores que los comercializan y precio.

c. Planificación: Se efectuaron varias reuniones entre el docente y los alumnos del equipo de trabajo para debatir, consensuar y planificar el proyecto en desarrollo. Se utilizó la técnica de Brainstorming (tormenta de ideas) para elaborar de manera libre algunas de las temáticas de trabajo.

d. Ejecución: Se efectuó una distribución de las tareas de manera de manera que, cada alumno asumió una labor en función de sus preferencias, conformándose grupos de dos o tres alumnos. Cada grupo tuvo a cargo la concreción de una etapa del proyecto, trabajando, trabajando sincrónicamente, y efectuando constantemente integraciones y transferencias de conocimientos entre cada grupo.

3.1.2. Materiales utilizados.

En una primera instancia se efectuó con los alumnos una actualización y revisión de sus conocimientos de programación y de electrónica utilizando la plataforma Arduino.

Esta plataforma integra de manera sencilla y accesible:

a.- un IDE (Integrated Development Environment, entorno integrado de desarrollo), el cual permite hacer las prácticas de programación en lenguaje C y C++;

b.- una placa con un microcontrolador Atmel, de diferentes modelos y prestaciones;

c.- conjunto de dispositivos hardware, cuales se conectan como periféricos del microcontrolador (sensores, motores, servos, teclados, displays, etc.).

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Planificación y ejecución del proyecto tecnológico

Durante la etapa de Planificación, se trabajó particularmente sobre el tipo de sistema de tracción a utilizar (ruedas, orugas, otras), el sistema de control a distancia, sensores a utilizar.

Se construyeron tres prototipos, de complejidad creciente, sobre los cuales se efectuaron análisis de funcionamiento y diferentes pruebas.

Prototipo n° 1 El prototipo inicial permitió efectuar las primeras prácticas de programación, pruebas de control de motores y de utilización de sensores. Constaba de un microcontrolador Arduino Uno, dos motores eléctricos, dos ruedas, una rueda de libre giro3, y un sensor de ultrasonidos. A este dispositivo se le incorporó un control a distancia por Bluetooth.

Las pruebas de campo efectuadas permitieron comprobar que el alcance del enlace de comunicación de radiofrecuencia por Bluetooth se mantenía sin interferencias entre 80 y 90 metros.

Figura 1: Prototipo de prueba inicial

3 La cual fue posteriormente reemplazada por un soporte simple, dado los efectos de frenado que dicha rueda ejercía sobre el vehículo.

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Figura 2: Prácticas con el primer prototipo de prueba sobre programación y control remoto por Bluetooth

Prototipo n° 2 Una vez completadas las prácticas con el primer prototipo, el alumno Damián del Castillo, del grupo de trabajo, aportó un segundo prototipo que utilizaba para su desplazamiento un sistema de tracción mediante orugas:

Figura 3: Protototipo n° 2: Sistema de tracción con orugas

Sobre este segundo prototipo los alumnos efectuaron diversas pruebas de programación y funcionamiento:

Figura 4: Pruebas de funcionamiento y de programación con Protototipo n° 2

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Los alumnos Facundo Morales y Alex Verón tuvieron a cargo la verificación y programación del control de los motores del prototipo. Los alumnos Jonathan Esquivel y Damián del Castillo se encargaron de la programación del sistema de comunicación por Bluetooth. Braian Mercado y Santiago Romano se dedicaron la puesta a punto del chasis del prototipo, la prueba, selección, e instalación de baterías y otros aspectos mecánicos y funcionales del equipo.

Prototipo n° 3 Luego de las pruebas realizadas con el prototipo 2, los alumnos iniciaron la construcción del tercer prototipo, el cual utiliza un sistema de tracción con 4 motores de 12 volts e incorpora las mecanum-wheels, según se explica más adelante:

Figura 5: Construcción del Protototipo n° 3, con cuatro motores Ignis de 12v

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Todo el equipo trabajó en la definición de los aspectos generales del prototipo, y en el montaje inicial de los componentes. A continuación, se asignaron tareas específicas por grupos, bajo la coordinación del Docente Asesor, y se designaron encargados o responsables de las mismas y se acordaron los tiempos de realización.

La asignación de tareas se efectuó del siguiente modo:

Programación del sistema: Jonathan Esquivel, Facundo Morales, Damián del Castillo. Diseño del PCB para montaje componentes: Alex Verón Construcción del chasis y de rodamientos especiales: Braian Mercado y Santiago Romano. Confección de los informes para Carpeta de Campo, recopilación y redacción: Adrián Gómez-Luna y Alex Verón

El Asesor Científico, Ing. Bautista Soriano, brindó soluciones prácticas acerca de aspectos constructivos y funcionales del dispositivo, tales como montaje del rodillo de limpieza, cepillo giratorio, control de los motores de corriente continua, optimización del uso y procesos de carga de las baterías, entre otros temas generales.

3.1.2.1. Mecanum-wheels

Las denominadas mecanum-wheels son un tipo de rueda desarrollada por el ingeniero suizo Bengt Erland Ilon, presentadas en 1972.

Permiten un desplazamiento omnidireccional del vehículo que las utiliza, es decir, posibilitan al vehículo efectuar giros en cualquier ángulo respecto a su trayectoria de desplazamiento, por ejemplo, de 90°, y realizar rotaciones de 360° alrededor de su eje vertical central.

Figura 6: Mecanum-wheels y su aplicación en una silla de ruedas

Imágenes pertenecientes a fuente consultada: https://en.wikipedia.org/wiki/Mecanum_wheel. Fecha consulta: 21/08/17

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Los vehículos de oruga utilizan métodos similares para el giro. Sin embargo, estos vehículos, al momento de girar, suelen arrastrarse por el suelo, pudiendo causar daños considerables a una superficie blanda o frágil. La alta fricción contra el suelo durante el giro también requiere motores de alto torque para superar la fricción. En comparación, el diseño de la mecanum-wheel permite la rotación en el lugar con un mínimo de fricción en el suelo y bajo torque.

Construcción por parte del equipo de las mecanum-wheels Debido a que este tipo de rueda no está disponible en el mercado local, y que la demora por la compra en el exterior e importación excedía a los tiempos del proyecto, los alumnos decidieron realizar la construcción de las mismas, de acuerdo a datos e información relevada en diversas fuentes de internet.

Figura 7: Construcción de las mecanum-wheels por los alumnos del 7mo "D"

Se efectuó una búsqueda y análisis de los tipos de motores eléctricos necesarios, su disponibilidad en nuestro medio, la factibilidad de adquisición de los mismos y su costo. Se seleccionó un proveedor y se adquirieron los motores.

Se utilizaron cuatro motores con caja reductora marca Ignis de 78 r.p.m para las ruedas, y dos motores sin caja reductora para el rodillo de limpieza inferior y para el cepillo circular.

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Se analizaron también los dispositivos necesarios para el control de la navegación (sensores, GPS, acelerómetros), y sobre los sistemas de control y de comunicación a utilizar. Los alumnos investigaron acerca del software asociado para la aplicación de estos dispositivos y efectuaron, con el asesoramiento del docente, los desarrollos y adaptaciones necesarias para su aplicación.

Prototipo elaborado

Luego de efectuarse los trabajos de mecanizado y armado de los componentes de las mecanum-wheels, de efectuar su montaje en el chasis del vehículo, y de realizar los ajustes correspondientes, quedó operativo el tercer prototipo.

Se comenzaron las pruebas con el software de control de los cuatro motores eléctricos:

Finalización del montaje del tercer prototipo

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Realización de pruebas funcionales del tercer prototipo

Pruebas operativas del tercer prototipo

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4. Resultados obtenidos Los alumnos desarrollaron efectivamente un prototipo de prueba con las características propuestas: bajo costo, versatilidad de movimientos, factible de ser elaborado con materiales disponibles localmente.

Los rodamientos especiales denominados mecanum-wheels fueron fabricados por los propios alumnos, presentando un resultado muy satisfactorio. Así también, los componentes de limpieza: cepillo circular giratorio y rodillo de fieltro inferior de barrido.

Es necesario seguir trabajando sobre el sistema de navegación mediante visión por computadora, lo cual plantea un promisorio campo de investigación a desarrollar a partir de esta experiencia.

Se adjunta un video donde se registra el paso a paso el trabajo desarrollado por los alumnos y las pruebas efectuadas hasta llegar al presente prototipo.

5. Discusión Si bien comercialmente existen en otros países dispositivos como el propuesto en este proyecto, los mismos no están disponibles en nuestro mercado local ni nacional. Por ello es importante el planteo de un trabajo de este tipo, el cual presenta proyecciones para la implementación de un emprendimiento por parte de los alumnos y también, por la institución escolar. Es posible efectuar una proyección a corto y mediano plazo acerca de un área de trabajo y de producción que puede ser de gran interés para el medio, y para el desarrollo de las vocaciones de los estudiantes.

Pudo observarse, tanto por parte del profesor a cargo del proyecto, como de otros profesores del área y de Directivos del establecimiento escolar, el alto interés y motivación que demostraron los alumnos por llevar a cabo y finalizar este proyecto, quedando ello de manifiesto en el gran esfuerzo realizado, y en el nivel del producto realizado.

Se verificó que a la fecha no existe disponible en el mercado local ni nacional un dispositivo robótico para limpieza de espacios industriales con las características propuestas en este proyecto.

6. Monitoreo En cada una de las etapas de fabricación se siguieron permanentemente los resultados obtenidos, efectuándose las correcciones necesarias y reformulando las alternativas posibles de implementación.

7. Impacto previsto El proyecto tuvo una recepción muy positiva, por parte de los alumnos que trabajaron en el mismo, por los miembros directivos de la institución escolar, y por los alumnos de otros años.

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Asimismo, se consultó y se verificó el alto interés por disponer de un elemento de limpieza de este tipo a distintos actores del medio local: reconocidos comerciantes locales, a directivos de escuelas y a directivos de empresas privadas (en las cuales realizan pasantías los alumnos).

8. Conclusiones En general, en el área de la robótica la mayor parte de las áreas de aplicación están siendo investigadas, con desarrollos de prototipos experimentales y de aplicaciones comerciales. Pero, algunos de los tópicos estudiados y trabajados en la presente investigación no han sido aun suficientemente explorados, y estando en gran medida en plena investigación.

Este es el caso de la aplicación de las mecanum-wheels para uso en robótica, por una parte, y de los sistemas de navegación robótica basados en visión por computadora, por otra.

En este sentido, el presente trabajo propone a los alumnos participantes un punto de inicio en temáticas en pleno desarrollo, brindándoles las herramientas iniciales para futuras posibilidades de aplicación en emprendimientos personales o de investigación tecnológica.

Este proyecto ha funcionado para incentivar el interés de los alumnos en temas propios de su formación en la especialidad, como lo son la electrónica, la programación en lenguaje C y C++, y el emprendedorismo, realizando una aplicación concreta de ellos. De esta manera, se abren las puertas para lograr una continuidad de la investigación en línea de trabajo en subsiguientes ciclos lectivos de la Especialidad.

9. Líneas de trabajo a futuro El trabajo en el área de la robótica se presenta en la actualidad como una temática de necesario e imprescindible abordaje áulico. La inclusión de cuestiones tales como el uso de sistemas de Visión por Computadora para el control de la navegación, la anexión de microprocesadores de mayor capacidad (Raspberry, Edison, Orange) entre otros, proponen una importante actualización de contenidos que pueden ser tratados y aplicados en el desarrollo de próximas etapas del presente proyecto.

7. Bibliografía consultada4

BANZI, M. (2012). Getting Started with Arduino. Sebastopol, California, United States of America: O’Reilly Media.

4 Para la presentación de la bibliografía se utiliza el formato de normas APA 2017 indicado en http://normasapa.net/2017-edicion-6/

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BARRIENTOS, A. et al. (1997). Fundamentos de Robótica. Madrid, España: McGraw-Hill Interamericana de España.

BORENSTEIN, G. (2012). Making Things See. 3D Vision with Kinect, Processing, Arduino, and Maker Bot. Sebastopol, California, United State of America: O'Really Media.

EVANS, M. et al (2013). Arduino in Actions. New York, United States of America: Manning Publications Co.

KARVINEN, K. et al (2011). Make: Arduino Bots and Gadgets. Sebastopol, California, United States of America: O’Reilly Media.

LAJARA VIZCAÍNO, J. R. et al. (2014). Sistemas integrados con Arduino. Barcelona, España: Marcombo.

MARGOLIS, M. (2011) Arduino Cookbook. Sebastopol, California, United States of America: O’Reilly Media.

NOBLE, J. (2013). Programming Interactivity: A Designer's Guide to Processing, Arduino and openFrameworks. Sebastopol, California, USA: O'Really Media.

PEREVALOV, D. (2013). Mastering openFrameworks: Creative Coding Demystified. Birmingham, United Kingdom: Packt Publishing Ltd.

PORCUNA LÓPEZ, P. (2016). Robótica y Domótica con Arduino. Buenos Aires, Argentina: Nueva Librería.

RAMOS MELGAR, E. y CASTRO DIEZ, C. (2012). Arduino and Kinect Projects. Recuperado de http://www.apress.com/us/book/9781430241676.

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Anexo I: Proyecto presentado en la asignatura "Proyecto Integrador"

BARREDORA ROBÓTICA

GUIADA POR BLUETOOTH Y SENSORES

Informe para ser presentado en la asignatura:

Proyecto Integrador

Curso: 7° "D" - año 2017

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En el año 2002 aparece Roomba, el robot doméstico que revolucionará el mercado y nos mete de lleno en la “Era de los robots aspiradores”. En 2004, la gama Roomba Discovery incorpora nuevas funciones como la detección de zonas de suciedad (Dirt Detect) y la vuelta del robot a su base de carga para auto recargarse.

En el 2005 verá la luz Scooba, el primer robot diseñado para fregar todo tipo de suelos.

Ya en el 2007 iRobot estrena la serie 500 de Roomba. Además de robots aspiradores, como se puede ver en el vídeo, iRobot diseña otros robots de limpieza (Verro, por ejemplo), de comunicaciones (LANdroid), para detectar las fugas de crudo, y para operaciones militares.

Investigando en el mercado local sobre la disponibilidad de barredoras industriales, se encontró que los equipos más utilizados y de mayor calidad son las barredoras marca Kärcher. Un modelo en particular, la barredora mecánica manual marca Kärcher modelo KM 70/20 C, presenta características muy convenientes y un excelente diseño. Pero, la misma debe ser impulsada manualmente por un operario:

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Barredora a pié marca Kärcher modelo KM 70/20 C Fuente de la imagen:

https://www.kaercher.com/ar/professional/barredoras/barredoras-con-conductor-a-pie/km-70-20-c-15171060.html

La empresa Kärcher se dedica a la fabricación de diversos modelos de equipos de limpieza, algunos motorizados, pero no incluye aún dentro de su stock comercial modelos robóticos, tanto en su pais de origen como en el nuestro .

Nos inspiramos en esta barredora y en Roomba y decidimos crear un robot que tuviese la misma función, limpiar de manera automática, pero por otro lado, en crear un robot que tuviese unas ruedas únicas y diferentes, y al conocer las “Mecanum Wheels” , decidimos crear nuestro proyecto final: “La Barredora Robótica para usos industriales”.

La barredora robótica es un vehículo que sirve para la utilización de limpieza en ambientes industriales y de grandes espacios, que se puede manejar tanto desde una aplicación de Android mediante Bluetooth, como desplazarse autónomamente mediante sensores.

Está compuesta por un rodillo y un cepillo que se encargan de la etapa de barrido, manejados con un motor de corriente continua cada uno. El rodillo toma la basura y se la

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envía a una bolsa que está colocada debajo del vehículo, para luego, cuando esta esté llena, sacarla y ponerla en un recipiente de basura. El cepillo, a diferencia del rodillo, solo se activa cuando el sensor de ultrasonido detecta una cierta distancia entre la barredora y la pared (10-15cm), para poder limpiar los laterales.

Lo que tiene de peculiar nuestra barredora, son sus ruedas, denominadas “Mecanum Wheels”, las cuales permiten un desplazamiento hacia los costados, dándole una mayor movilidad al vehículo y economía de energía. Por supuesto que también puede retroceder, girar, dirigirse para adelante y atrás.

Los sensores de ultrasonido o sensores ultrasónicos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias que van desde pocos centímetros hasta varios metros. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la señal tarda en regresar. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, diferentes colores, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser reflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco.

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Los servos son un tipo especial de motor de c.c. que se caracterizan por su capacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier posición dentro de su intervalo de operación. Para ello, el servomotor espera un tren de pulsos que se corresponde con el movimiento a realizar. Están generalmente formados por un amplificador, un motor, un sistema reductor formado por ruedas dentadas y un circuito de realimentación, todo en una misma caja de pequeñas dimensiones. El resultado es un servo de posición con un margen de operación de 180° aproximadamente.

Se dice que el servo es un dispositivo con un eje de rendimiento controlado ya que puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que exista una señal codificada en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar elementos de control como palancas, pequeños ascensores y timones. También se usan en radio-control, marionetas y, por supuesto, en robots. Los Servos son sumamente útiles en robótica. Los motores son pequeños. Un motor como el de las imágenes superiores posee internamente una circuitería de control y es sumamente potente para su tamaño. Un servo normal o estándar como el HS-300 de Hitec proporciona un par de 3 kg·cm a 4.8 V, lo cual es bastante para su tamaño, sin consumir mucha energía. La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar moviéndose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está enclavado.

Los módulos Bluetooth HC-05 y HC-06 son módulos muy populares para aplicaciones con microcontroladores PIC y Arduino. Se trata de dispositivos relativamente

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económicos y que habitualmente se venden en un formato que permite insertarlos en un protoboard y cablearlo directamente a cualquier microcontrolador, incluso sin realizar soldaduras.

El módulo Bluetooth HC-05 es el que ofrece una mejor relación de precio y características, ya que es un módulo Maestro-Esclavo, quiere decir que además de recibir conexiones desde una PC o tablet, también es capaz de generar conexiones hacia otros dispositivos bluetooth. Esto nos permite por ejemplo, conectar dos módulos de bluetooth y formar una conexión punto a punto para transmitir datos entre dos microcontroladores o dispositivos.

El HC-05 tiene un modo de comandos AT que debe activarse mediante un estado alto en el PIN34 mientras se enciende (o se resetea) el módulo. En las versiones para protoboard este pin viene marcado como “Key”. Una vez que estamos en el modo de comandos AT, podemos configurar el módulo bluetooth y cambiar parámetros como el nombre del dispositivo, password, modo maestro/esclavo, etc.

Para comunicarnos con el módulo y configurarlo, es necesario tener acceso al

módulo mediante una interfaz serial. Podemos usar un arduino con un par de cables (aprovechando el puente USB-Serial del Arduino), un kit para XBee o un simple MAX3232 en el puerto serie de la PC.

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Las Mecanum Wheels son un tipo de rueda que puede mover un vehículo en cualquier dirección. A veces se le llama la rueda Ilon después de su inventor, Bengt Erland Ilon, que surgió con la idea de cuando era un ingeniero con la empresa sueca Mecanum AB. La Patente de los Estados Unidos fue llenada el 13 de noviembre de 1972.

Es una rueda convencional con una serie de rodillos unidos a su circunferencia. Estos rodillos tienen cada uno típicamente un eje de rotación a 45º con respecto al plano de la rueda y 45º a una línea que atraviesa el centro del rodillo paralelo al eje de rotación de la rueda.

Mecanum Wheels Variando la velocidad y el sentido de giro de cada rueda, el vehículo puede

moverse en cualquier dirección. El movimiento de las cuatro ruedas en la misma dirección provoca un movimiento hacia adelante o hacia atrás, haciendo correr las ruedas en un lado en la dirección opuesta a las del otro lado provoca la rotación del vehículo y haciendo girar las ruedas en una diagonal en sentido opuesto a las de la otra diagonal causa movimiento lateral. Las combinaciones de estos movimientos de la rueda permiten el movimiento del vehículo en cualquier dirección con cualquier rotación del vehículo (incluyendo ninguna rotación en absoluto).

La Marina de Estados Unidos compró la patente de Ilon y puso a los investigadores a trabajar en ella en la década de 1980 en la Ciudad de Panamá. La marina de guerra de los EEUU la ha utilizado para transportar artículos alrededor de los barcos. En 1997, Airtrax Incorporated y varias otras compañías pagaron a la US Navy $ 2,500 por los

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derechos de la tecnología, incluyendo viejos dibujos de cómo funcionaban los motores y controladores, para construir una carretilla elevadora omnidireccional que pudiera maniobrar en espacios reducidos como la cubierta de un portaaviones . Estos vehículos están en producción.

Los vehículos de rastreo y los vehículos con dirección deslizante utilizan métodos similares para girar. Sin embargo, estos vehículos suelen arrastrarse por el suelo mientras giran y pueden causar daños considerables a una superficie suave o frágil. La alta fricción contra el suelo durante el giro también requiere motores de alto par para superar la fricción. En comparación, el diseño de la rueda Mecanum permite la rotación en el lugar con un mínimo de fricción en el suelo y bajo par.

Dirección de giro de las ruedas para los distintos desplazamientos del vehículo

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Primera Versión (Descartada)

Control Sensor Ultrasónico y Servo Motor

Control del Modulo Bluetooth y Puentes H

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Funcionamiento:

El circuito consta de 2 etapas muy sencillas.

La primera etapa es la de regulación, pasamos de 12V a 5V mediante el regulador 7805 para no quemar el microcontrolador, ya que este solo aguante 5V.

La segunda etapa esta compuesta por el microcontrolador ATMEGA328 que se va a encargar de enviar información al modulo bluetooth y al servomotor, este por supuesto esta con su respectivo cristal de cuarzo de 16Mhz.

Diseño de impreso y plaqueta

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Control Modulo Bluetooth y Puentes H

3D de plaqueta con la disposición de sus componentes (Software)

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Control Modulo Bluetooth y Puentes H

4.2 ETAPA DE PROGRAMACION

//LIBRERIAS

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//Libreria Bluetooth

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial bluetooth(0, 1); // RX, TX

//Libreria del Servo

#include <Servo.h>

Servo servoMotor;

//Definimos ECHO y TRIGGER

#define trig 11

#define echo 12

//del=delantero/ tra=trasero/ izq=izquierdo/ der=derecho

//1=gira hacia adelante/ 2= gira hacia atrás

int bandera=1;

//puenteH 1

int delizq1 = 2;

int delizq2 = 3;

int delder1 = 4;

int delder2 = 5;

//puenteH 2

int traizq1 = 6;

int traizq2 = 7;

int trader1 = 8;

int trader2 = 9;

//combinaciones

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int adelante;

int atras;

int alto;

int horario;

int antihorario;

int izquierda;

int derecha;

//velocidad

int velmedia = 255;

int vellow=100;

//variable para guardar los datos del BT

int estado;

//variables para activar el motor del cepillo

int motorcepi1=10;

int motorcepi2=12;

int motorcirc1=11;

int motorcirc2=13;

//sensor ultra

int distancia,duracion;

void setup() {

//puenteH 1

pinMode(delizq1, OUTPUT);

pinMode(delizq2, OUTPUT);

pinMode(delder1, OUTPUT);

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pinMode(delder2, OUTPUT);

//puenteH 2

pinMode(traizq1, OUTPUT);

pinMode(traizq2, OUTPUT);

pinMode(trader1, OUTPUT);

pinMode(trader2, OUTPUT);

//Sensor Ultrasonico

pinMode(trig,OUTPUT);

pinMode(echo,INPUT);

pinMode(motorcepi1,OUTPUT);

pinMode(motorcepi2,OUTPUT);

pinMode(motorcirc1,OUTPUT);

pinMode(motorcirc2,OUTPUT);

alto1();// inicia en alto

Serial.begin(9600);

bluetooth.begin(9600);//inicia el bluetooth

servoMotor.attach(12);//Servomotor al pin 12

servoMotor.write(90);//Servomotor inicia a 90°

}

void loop() {

//ORDENES POR BT

if (Serial.available() > 0) { // lee el bluetooth y almacena en estado

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estado = Serial.read();

Serial.print(estado);

if (estado == 'b') {

adelante1();

}

if (estado == 'f') {

atras1();

}

if (estado == 'd') {

alto1();

}

if (estado == 'a') {

horario1();

}

if (estado == 'g') {

antihorario1();

}

if (estado == 'c') {

izquierda1();

}

if (estado == 'e') {

derecha1();

}

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if(estado=='i'){

analogWrite(motorcirc1,vellow);

analogWrite(motorcepi1,vellow);

analogWrite(motorcepi2,LOW);

analogWrite(motorcirc2,LOW);

}

if (estado=='j'){





}

Serial.println(estado);

}

}

//FIN DEL LOOP

void adelante1() {

analogWrite(delizq1, velmedia);

analogWrite(delder1, velmedia);

analogWrite(traizq1, velmedia);

analogWrite(trader1, velmedia);

//no se usa

analogWrite(delizq2, LOW);

analogWrite(delder2, LOW);

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analogWrite(traizq2, LOW);

analogWrite(trader2, LOW);

}

void atras1() {





//no se usa





}

void alto1() {









}

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void horario1() {





//no se usa





}

void antihorario1() {





//no se usa





}

void derecha1() {


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//no se usa





}

void izquierda1() {





//no se usa





}

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La aplicación del proyecto fue creada a través de una pagina web llamada http://appinventor.mit.edu/explore/ , en la cual programamos y diseñamos todo. Programación en el entorno gráfico AppInventor

Screen 1:

Screen 2:

Ejemplo de programación en el entorno gráfico del AppInventor

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Interfaz desarrollada para la aplicación de control del vehículo de barrido ICONO:

Screen 1:

Screen 2:

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Para el armado del chasis de nuestra barredora, nos inspiramos en los modelos de tanques alemanes de la seguda guerra mundial , tomando como referencia el denominado “Gustav Gerat”.

Gustav Gerat:

Barredora Robótica:

Al principio trabajamos con el primer diseño, confiados de que podía a llegar a funcionar. Lo único que se podía simular era el control de los motores mediante el puente H, lo hicimos y su funcionamiento fué excelente.

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Una vez terminada la simulación y el diseño de la placa, teníamos que pasar a la parte física, así que nos pusimos a buscar los materiales necesarios: pertinax, papel de ilustración, ácido férrico, virulana, una plancha y ganas de trabajar. Fue un lunes que nos juntamos los alumnos Alex Verón y Santiago Romano para hacer el proceso del planchado. Lamentablemente fue un fracaso y el primer intento no salió:

El viernes nos volvimos a juntar, esta vez Brian Mercado se encargó del planchado, y también tuvimos el mismo problema a la hora de sacar el papel, las pistas no se pegaban del todo. No nos quisimos rendir tan fácilmente y seguimos intentado, hasta lograr obtener una plaqueta más o menos aceptable:

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Cuando lo pasamos al ácido férrico, esperamos como unos 30 minutos aproximadamente y aun no se comía el cobre del todo. No aguantamos más y la sacamos del recipiente:

Como era de esperarse, quedo un poco de cobre en las partes en donde habían pistas muy juntas entre sí, lo que significaba un gran problema, lo intentamos sacar pero al final se terminó arruinando todo, así que descartamos esta plaqueta.

El martes lo volvimos a intentar y esta vez fue todo un éxito la parte del planchado:

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También nos fue muy bien en la etapa del ácido:

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Ahora si podíamos pasar a agujerear la placa:

Apenas terminamos de agujerear, planchamos la parte de arriba de la placa que nos iba a mostrar los componentes y pasamos a soldar:

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Una vez soldados todos los componentes, pasamos a hacer los puentes necesarios:

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7. CRONOGRAMA Actividad por semanas Etapas del Proyecto:

MES 1

MES 2 MES 3

Análisis e Investigación

Diseño del proyecto

Organización

Realización

Perfeccionamiento y evaluación del proyecto

Cuadro organizativo del proyecto integrador: Barredora Robótica para uso industrial

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Lista de materiales Proyecto presentado a asignatura Proyecto Integrador

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PORCUNA LÓPEZ, P. (2016). Robótica y Domótica con Arduino. Buenos Aires, Argentina: Nueva Librería.

LAJARA VIZCAÍNO, J. R. et al. (2014). Sistemas integrados con Arduino. Barcelona, España: Marcombo.

http://ai2.appinventor.mit.edu/

http://trcom.com.ar/catalog/catalog.html

https://www.arduino.cc/

Motorreductores: http://listado.mercadolibre.com.ar/motorreductores-igniws-de-30-kg

Componentes electrónicos básicos (transistores, resistencias, leds): http://www.tecnoliveusa.com/componentes-electronicos_qO4922942XtOcxSM

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Anexo II: Presupuesto estimativo del Proyecto Institucional (abril-junio 2017)

Asignatura: FORMACIÓN AMBIENTES DE TRABAJO 2017 - curso 7° "D"

Materiales y/o componentes solicitados para compra (abril-junio 2017).

Proyecto Institucional "Construcción barredora robótica guiada por sensores y GPS "

Este trabajo se realizará en conjunto con la asignatura Proyecto Integrador.

Descripción Trabajo Práctico: Diseño y construcción de un dispositivo móvil de desplazamiento autónomo.

Medición de distancia y detección de obstáculos mediante sensores ultrasónicos y sensores infrarrojos.

Control de navegación por GPS.

Materiales necesarios

Cantidad

Precio Unitario

Precio total

Placa microcontrolador Arduino Mega 1 380 380

Motor con caja reductora marca Signis 4 700 2800

Motor de corriente continua 12 v (sin reducción) 2 400 800

Servomotores (ARDMOT008) 2 170 340

Cables de conexión (Pack de 10) 2 100 200

Puente H (ARDPUENTEH) 2 140 280

Sensor Ultrasonido (ARDHC-SR04) 2 70 140

Módulo Bluetooth (ARDINA002) 1 120 120

Módulo Wi-Fi (ARDWIFI) 1 110 110

Batería LiPO de 12 V 4000 mAH 1 450 450

Cargador Batería 1 300 300

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Módulo receptor GPS SKM 53 1 260 260

Chasis vehículo de aluminio (piezas varias) 1 250 250

Materiales rodamientos 4 100 400

Materiales rodillo fieltro cilíndrico (para limpieza) 1 120 120

Materiales cepillo circular (barrido) 1 90 90

Componentes electrónicos varios

150 150

Precio total $ 7190

Precio comparativo:

Barredora mecánica manual marca Kärcher modelo KM 70/20 C (en Mercado Libre) Fecha consulta: 14/09/2017

$ 19.800.-

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Anexo III: Diagrama de Gantt de organización del Plan de Acción - Distribución de tareas

CRONOGRAMA ORGANIZATIVO GENERAL DEL PROYECTO 1° Trimestre - Actividad por semanas Tareas MES 1

Abril 2017 MES 2

Mayo 2017 MES

Junio 2017 Introducción a la robótica. Integración de conocimientos. Investigación -Todo el grupo

Pruebas con prototipos 1 y 2 -Todo el grupo

Diseño de prototipo n° 3 -Todo el grupo

Construcción chasis. Instalación motores -Morales, Mercado, del Castillo, Romano

Programación -Esquivel, del Castillo, Verón

Construcción de las Mecanum Wheels -Romano, Mercado, Morales

Elaboración informes y carpetas - Verón, Gómez

CRONOGRAMA ORGANIZATIVO GENERAL DEL PROYECTO 2° Trimestre Actividad por semanas Tareas MES 1

Julio 2017 MES 2

Agosto 2017 MES 3

Septiembre 2017 Ajuste de las Mecanum Wheels -Romano, Mercado, Morales

Programación -Esquivel, del Castillo, Morales

Presentacion -Todo el grupo

Feria de Ciencias Zonal

Evaluación y ajuste del prototipo

Feria de Ciencias Pcial


Receso Invernal

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CRONOGRAMA ORGANIZATIVO GENERAL DEL PROYECTO 3° Trimestre Actividad por semanas Tareas MES 1

Octubre 2017 MES 2

Noviembre 2017 MES 3

Diciembre 2017 Análisis e Investigación del sensor infrarrojo Kinect -Todo el grupo

Presentación del proyecto -Todo el grupo

Feria Ciencias Nacional

Programación -Esquivel, del Castillo, Morales, Verón

Evaluación y ajustes del prototipo -Todo el grupo


Fin de ciclo lectivo Receso Invernal

Documents

ONIIET 2017oniet.ubp.edu.ar/wp-content/uploads/2017/informes...ONIIET 2017 Olimpiadas Nacionales de Informática, Innovación, Electrónica y Telecomunicaciones INFORME DESCRIPTIVO