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ROBOT A TRANSISTORES 1 Primer Parte 1. Introducción El robot que describo se inspira en los primeros robots construidos al final del los años 40. Se podría definir un robot digital pero no como estamos acostumbrados a verlos en nuestros días porque los circuitos electrónicos de Calimaro están constituidos solamente por transistores y componentes discretos. El objetivo de esta elección es de carácter didáctico, un modo de poder “tocar” con las manos las distintas partes del sistema desmistificando el dogma de la electrónica moderna.

Robot a Transistores 1

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ROBOT A TRANSISTORES 1

Primer Parte

1. Introduccin

El robot que describo se inspira en los primeros robots construidos al final del los aos 40. Se podra definir un robot digital pero no como estamos acostumbrados a verlos en nuestros das porque los circuitos electrnicos de Calimaro estn constituidos solamente por transistores y componentes discretos. El objetivo de esta eleccin es de carcter didctico, un modo de poder tocar con las manos las distintas partes del sistema desmistificando el dogma de la electrnica moderna.

2. El dogma de simplicidad

El dogma de simplicidad de Calimaro se puede resumir en los siguientes puntos:

Parece difcil obtener un mnimo de inteligencia del robot sin usar circuitos integrados o microprocesadores. Sin embargo, analizando los proyectos de los viejos robot descubrimos que sistemas muy simples pero al mismo tiempo ingeniosos, lograban comportamientos sofisticados. Uno de los casos mas interesantes es el de Grey Walter y sus tortugas cibernticas.

3. Las tortugas de Grey Walter

Grey Walter haba usado para sus tortugas dos vlvulas (equivalentes a dos transistores) y dos rel. Por otro lado los robot de Walter no eran muy fciles de construir debido al hecho que la parte mecnica compensaba la electrnica espartana. Las tortugas tenan un sistema de traccin compuesto por una sola rueda que serva tambin para la direccin. Una fotoclula montada sobre el eje de direccin se mova junto con la rueda.

Sin embargo, dos objetivos funcionales me alejaban levemente del minimalismo de Walter: por un lado la necesidad de simplificar la parte mecnica y por otro lado obtener un consumo elctrico muy bajo.

4. Movimiento

Respecto a la mecnica, la solucin mejor era adoptar un sistema motriz clsico en los robot modernos o sea: dos ruedas motrices independientes y una rueda libre que sirve solo como apoyo completando el trpode. Esta configuracin, mas all de la simplicidad, posee grandes cualidades que observaremos a lo largo del artculo.

La base de Calimaro es un octgono irregular que permite de ubicar las ruedas motrices centrales mas adelante en modo tal de dar estabilidad a la estructura con tres punto de apoyo. Los motores pueden girar en los dos sentidos porque son controlados por puentes de transistores.

En la siguiente tabla podemos observar la trayectoria del robot en base al movimiento de los motores:

5. Los puentes de los motores

Un poco de teora. Un motor de corriente continua gira en un sentido o en el otro segn como est polarizado.

Esta caracterstica es muy til para controlar el movimiento del robot. Un modo simple para controlar un motor en ambos sentidos de marcha consiste en conectarlo a un conmutador doble como se observa en la figura siguiente.

En lugar de un conmutador se pueden usar simples interruptores como se observa en la figura. En este caso la conmutacin es mas complicada y es necesario evitar que dos interruptores de la misma columna hagan contacto porque se producira un cortocircuito.

La configuracin descripta se llama puente y como veremos, los interruptores pueden ser remplazados por transistores comunes. Estos transistores sern de dos tipos: NPN y PNP.

El problema que encontramos es como conectar los transistores para que el puente funcione. Sabemos que los transistores PNP conducen cuando la tensin de la base es negativa mientras que los NPN conducen cuando la tensin de la base es positiva.

Para que el puente funcione, necesitamos poner en conduccin los transistores que se encuentran en diagonal el PNP de la izquierda con el NPN de la derecha o viceversa. Para obtener esto podemos agregar otro dos transistores de entrada del tipo NPN conectados como se observa en la figura.

Para no complicar excesivamente la electrnica, el circuito no dispone de una proteccin en el caso que las dos entradas fueran activas. Si esto sucediera, el puente entrara en cortocircuito. Es necesario que la electrnica que controla el puente no entre en esta condicin.

Las siguientes fotografas muestran el puente de control montado sobre una plaqueta universal con islas de cobre separadas 5mm entre si.

Para la construccin del robot tenemos que hacer dos de estos puentes.

En la segunda parte explicar como hacer los circuitos de control del robot. Hasta la prxima

Fin de la primer parte

ROBOT A TRANSISTORES - PARTE 2

Segunda Parte

Continuo con la segunda parte del robot a transistores. Antes de empezar hago una pequea aclaracin. Estos posts podran llamarse"Aprendamos electrnica simple haciendo un robot"porque como pueden ver, voy muy en profundidad sobre conceptos bsicos de electrnica pero en forma simple y evitando frmulas complicadas.

Podra haber construido el robot usado microprocesadores, sensores de proximidad y un montn de componentes modernos pero se perdera el objetivo (y el desafo) que me propuse: desmistificar la electrnica. Por lo tanto encontrarn aqu largas explicaciones y muchas imgenes que he hecho con paciencia, quizs este modo de hacer sirva a algunos de ustedes que descubren este campo apasionante.

Buena lectura!

6. Calimaro y la luz

Dos clulas fotoelctricas son los sensores primarios de Calimaro y permiten al robot de seguir las fuentes luminosas. Para hacer que el robot se oriente hacia la luz es necesaria una particular configuracin que consiste en conectar la clula fotoelctrica izquierda al motor derecho y la clula fotoelctrica derecha al motor izquierdo como se ve en la figura:

En la figura siguiente podemos observar la secuencia de orientacin hacia una fuente luminosa. Usando una linterna nos colocamos a la derecha del robot y apuntamos la luz hacia l (cuadro 1), la fotoclula derecha recibe la luz y activa el motor izquierdo haciendo girar el cuerpo del robot hasta que tambin la fotoclula izquierda recibe la luz (cuadro 2). En ese momento la fotoclula izquierda activa el motor derecho y con los dos motores activados, el robot se desplaza derecho hacia la luz (cuadro 3).

La forma descripta de conectar la fotoclulas puede dar origen a comportamientos complejos como se puede observar en la figura siguiente. En una habitacin donde la luz no es homognea, el robot evita las sombras cambiando direccin cuando se acerca a ellas. El efecto es sorprendente y no parece ser simplemente el resultado de una simple conexin entre fotoclulas y motores.

Sin embargo Calimaro no siempre logra evitar las sombras. El problema se presenta cuando entra en una zona de sombra perfectamente perpendicular a ella. En este caso, ambas fotoclulas quedan simultneamente sin luz y el robot se detiene. Existen distintas soluciones para evitar este caso pero no sern tratadas en este artculo.

7. Calimaro y los obstculos

El modo mas simple de detectar los obstculos que el robot encuentra en su recorrido es usando interruptores llamados microswtich. El sistema de control de colisiones es mas complejo respecto al de la luz porque el robot debe seguir una secuencia temporal precisa que cambia segn el sensor activado por el obstculo en modo de poder evitarlo.

Calimaro dispone de dos sensores de colisin. Cuando encuentra un obstculo, retrocede de algunos centmetros, gira a izquierda o derecha segn el sensor activado y despus sigue su camino. La secuencia podemos verla en la figura.

En el caso de obstculos frontales es necesario dar al robot una cierta asimetra circuital en modo tal que gire lo mismo.

8. La electrnica de control

La figura muestra un diagrama en bloques del robot Calimaro. Dos plaquetas de potencia controlan los motores, otras dos plaquetas son el cerebro del robot y una quinta plaqueta sirve para visualizar el estado del las bateras.

Como ya dicho, Calimaro posee dos tipo de sensores: las fotoclulas sensibles a la luz y los sensores de colisin compuestos por microinterruptores. El sistema est conectado en modo tal que la plaqueta de control izquierda maneja el motor derecho y la plaqueta de control derecho maneja el motor izquierdo permitiendo el comportamiento descripto precedentemente.

Antes de analizar las plaquetas de control es importante conocer los seales necesarios para manejar las plaquetas de potencia de los motores y que estn representadas en la figura siguiente. Mas adelante har una descripcin mas detallada de estas plaquetas. Con las dos entradas de control podemos obtener los tres modos de trabajo que sirven: motor detenido, motor hacia adelante y por ltimo, motor hacia atrs. Existe una cuarta combinacin cuando las dos entradas se encuentran a nivel alto per esta ltima mete la plaqueta en cortocircuito y por lo tanto es mejor no usarla.

9. Las plaquetas de control

Las dos plaquetas de control son idnticas excepto por una pequea diferencia en los valores de las resistencias de entrada que conectan los sensores de colisin. La figura siguiente muestra un diagrama en bloques de una de las dos plaquetas de control. Una parte trabaja con la fotoclula y controla el movimiento hacia adelante del motor. La otra parte trabaja con los sensores de colisiones y controla el movimiento hacia atrs del motor. Para evitar la condicin de cortocircuito en la plaqueta de potencia del motor descripta anteriormente, el comando hacia atrs inhibe el control hacia adelante a travs de un interruptor representado en la figura y hecho con un transistor.

Como se puede observar en el diagrama a bloques general del robot ambos sensores de colisin (izquierdo y derecho) entran simultneamente en las dos plaquetas de control mientras las fotoclulas estn conectadas solamente a la respectiva plaqueta perteneciente. El motivo es simple: cuando Calimaro encuentra un obstculo, raramente el objeto se encuentra exactamente de frente al robot y por lo tanto es muy probable que solo un sensor de colisin se active.

Sin embargo, para alejarse del obstculo, el robot necesita activar ambos motores en marcha atrs por un breve momento, despus uno de los motores se debe detener mientras el otro sigue girando para que el robot gire sobre si mismo y cambie de trayectoria evitando el obstculo. Efectivamente, cuando Calimaro encuentra un obstculo a su izquierda, gira hacia la derecha y viceversa. Para lograr este efecto, ambos sensores se conectan a las dos plaquetas de control en un modo especial para obtener el efecto de rotacin descripto.

10. El circuito de la fotoclula

Como se puede observar en la figura, el circuito de la fotoclula es muy simple. En la obscuridad, la resistencia interna de la fotoclula es elevada por lo tanto, en la base del transistor Q1 tendremos una tensin mas elevada que la de umbral (0,6V) y por lo tanto el transistor entra en conduccin llevando la salida de la plaqueta a masa.

Cuando la luz incide sobre la fotoclula, su valor de resistencia disminuye, la tensin en la base del transistor baja y el transistor deja de conducir y por lo tanto la salida de la plaqueta pasa a un nivel alto gracias a la resistencia R2. En conclusin, cuando hay luz, el motor se activa y en la obscuridad el motor se detiene. El trimmer PR1 nos permite de regular la sensibilidad del circuito a la luz. El transistor Q2 sirve para bloquear un eventual movimiento hacia adelante cuando el circuito de los sensores de colisin se activa.

11. El circuito de los sensores de colisiones

Como se puede observar en la figura, los dos sensores de colisiones estn conectados a ambas plaquetas de control. En estado de reposo, el capacitor C1 est descargado, el transistor Q1 no conduce y el transistor Q2, gracias a la resistencia R5 se encuentra en conduccin llevando la salida a masa (motor detenido).

Cuando uno de los contactos se cierra, el capacitor C1 se carga con una tensin positiva a travs de D1/R1 o D2/R2. La tensin del capacitor cargado supera el umbral de Q1 y este ltimo entra en conduccin bloqueando Q2 y por lo tanto la tensin de salida ser positiva gracias a R6 activando la marcha atrs del motor. Cuando el robot se aleja del obstculo, el contacto se abre, el condensador se descarga a travs de R3 pero mantiene la carga por un instante. Los valores de R1 y R2 son diversos en las dos plaquetas de control para obtener el efecto de rotacin descripto precedentemente.

12. El circuito completo

En la figura siguiente podemos ver el circuito completo de control. La resistencia R1 de las dos plaquetas es de valor diferente como ya explicado.

13. Montaje de las plaquetas de control

Para la construccin propongo de usar una plaqueta universal como se observa en la figura (yo us una con islas de cobre separadas entre si 5 mm.)

14. Indicador de la batera

Como podemos observar en la figura, el circuito indicador del estado de las bateras es muy simple. La tensin medida de las bateras sirve tambin como alimentacin del circuito. Cuando las bateras estn bien cargadas, la tensin en la base de Q1 lo hace conducir encendiendo el led verde. Una buena conduccin de este transistor no permite que el segundo transistor conduzca, por lo tanto el led amarillo no se enciende. Cuando la tensin de las bateras baja, el transistor Q1 conduce menos y el transistor Q2 empieza a conducir encendiendo el led amarillo.

Cuando las bateras estn descargadas, el transistor Q1 deja de conducir y por lo tanto el led verde se apaga mientras el led amarillo se mantiene encendido. El diodo D1 sirve para aumentar el umbral de conduccin de Q1. Con bateras nuevas regular el trimmer hasta que se encienden los dos led y despus girar en sentido opuesto hasta que el led amarillo se apaga quedando encendido solo el verde.

Fin de la segunda parte

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Tercera Parte

Continuo esta tercera parte del robot a transistores. Antes de empezar repito para los recin llegados algunas palabras. Estos posts podran llamarse"Aprendamos electrnica simple haciendo un robot"porque como pueden ver, voy muy en profundidad sobre conceptos bsicos de electrnica pero en forma simple y evitando frmulas complicadas.

Podra haber construido el robot usado microprocesadores, sensores de proximidad y un montn de componentes modernos pero se perdera el objetivo (y el desafo) que me propuse: desmistificar la electrnica. Por lo tanto encontrarn aqu largas explicaciones y muchas imgenes que he hecho con paciencia, quizs este modo de hacer sirva a algunos de ustedes que descubren este campo apasionante.

Buena lectura!

En este post describo el montaje mecnico del robot Calimaro, En la cuarta y ltima parte hablar del cableado, y de los ajustes y las pruebas finales. Las soluciones que he adoptado tienen como objetivo mantener el proyecto lo mas simple posible, usando materiales fciles de encontrar en las ferreteras. Lamentablemente, una de las cosas mas complicadas en los robot son las partes mecnicas relacionadas con el movimiento (ruedas, motores, etc.) porque son compuestas por elementos poco comunes. Probablemente ser necesario adaptar el proyecto a los motores y ruedas que se encuentren. El resto del material es bastante comn.

15. La base

Podemos usar aluminio de 1mm de espesor. Cortemos con una sierra pequea un rectngulo de 17 cm x 15 cm. Luego, como se observa en la figura, cortemos los ngulos del rectngulo para obtener la base octogonal.

Hagamos los 8 orificios de 4mm de dimetro necesarios para fijar los motores y la rueda mvil. Hagamos tambin el orificio que servir para pasar los cables (10 mm de dimetro) y para el interruptor de encendido. El dimetro de este ltimo depende del tipo de interruptor. En mi caso es de 10mm.

Preparemos el resto de los orificios para fijar las plaquetas, la batera, los micro interruptores y la tapa del robot con una mecha (broca) de 3,5mm de dimetro.

16. Montaje de los motores y las ruedas

Las fotografas muestran los elementos que he usado para montar las ruedas motrices y la rueda libre de apoyo. Para los motores he construido dos bases de apoyo obtenidas de un perfil rectangular de aluminio.

Tuve que usar dos perfiles porque no encontr un perfil con las medidas necesarias. Los motores entran justos en los agujeros que he hecho. Para fijarlos bien he usado dos tiras de plstico de electricista.

Para las uniones entre los motores y las ruedas us la parte interna de una morsetera (ver figura).

Para fijar los perfiles a la base he usado tornillos M4 (4mm). Fijar tambin la rueda libre con tornillos M4 mas cortos.

17. Montaje de lo sensores de colisin

Los sensores de colisiones son normales microinterruptores a los que he soldado un alambre de acero a la lengeta como se observa en las figuras. Para soldarlos, aconsejo de sacar la lengeta del microinterruptor, colocar el alambre previamente cortado e plegado sobre la lengueta y envolver los dos con hilo de cobre (obtenido de un cable por ejemplo).

Una vez hecho esto, soldar todo junto con un soldador bien caliente. Remontar la lengeta con el hilo en el microinterruptor. Los microinterruptores se fijan a la base con tornillos M3 (3mm) y tuercas. En mi caso, tuve que agrandar un poco los agujeros de los microinterruptores con una mecha (broca) de 3mm porque los tornillos no pasaban.

Fin de la tercera parte

ROBOT A TRANSISTORES - PARTE 4

Cuarta Parte

Y aqu llegamos a la ltima parte. En este post muestro a travs de diseos el cableado del robot.

18. Esquema general de conexin

19. Cableado del polo negativo

20. Cableado del polo positivo

21. Cableado de los motores y de los microswitchs

22. Cableado entre control y puentes

Fin de la cuarta y ltima parte