Cyborg (Robot recepcionista)

Resumen

El presente documento detalla los principales
componentes utilizados para desarrollar el proyecto Cyborg, entre
los cuales tenemos Amplificadores, mando de Servomotores y
accionamiento de Alambres Termocontraíbles, además
indica la sección en la que cada uno de estos componentes
fue empleado y también la función que van a
desempeñar en el mismo.

PALABRAS CLAVE: Servomotor, Amplificador, Alambre
Termocontraíble.

Introducción

Desde la antigüedad con la revolución
industrial, las personas han buscado cambiar la mano de obra
humana por máquinas que realicen trabajos en los que se
vieran en riesgo dichas vidas, o simplemente para economizar la
producción de los objetos a distribuir.

Desde entonces las personas han buscado remplazar los
servicios humanos por máquinas que puedan realizar los
mismos trabajos e incluso trabajos más complejos que un
ser humano no pudiera realizar.

Para rescatar la historia podemos mencionar que las
máquinas en realidad aparecieron mucho tiempo atrás
con la creación de "el ave mecánica" por parte del
mecánico griego Arquitas (siglo IV antes de Cristo) la
cual funcionaba a base de vapor. Después
aparecerían creaciones también significativas como
es el caso de las máquinas diseñadas y construidas
por el ingeniero Herón de Alejandría, las que eran
accionadas por presión de aire, vapor y también
usando el agua. De aquí se derivan los principios que
después serían usados por diferentes ingenieros y
científicos del mundo para implementar las primeras
máquinas funcionales para la industria.

En la actualidad estas máquinas son aun mejores y
ás desarrolladas que en los tiempos antiguos. La
aparición de los robots en las diferentes industrias del
mundo han logrado mejorar en un gran porcentaje tanto la vida
humana como el trabajo realizado u obtenido. Se utilizan a los
robots generalmente para trabajos en los que las manos humanas se
vieran en riesgo o simplemente en operaciones de exactitud. Los
robots en la actualidad desempeñan labores en distintos
campos, como por ejemplo en la medicina, la mecánica, la
interactuación con personas, en exploraciones tanto
terrestre como en el espacio, entre otros campos. Todo para
realizar acciones mas exactas o de un riesgo grande para personas
e incluso para brindar comodidad y facilitar los procesos que
pudieran desempeñar. La importancia de la
implementación de los mencionados hombres mecánicos
como podemos ver es realmente muy grande y las aplicaciones
infinitas.

Explicación
del proyecto

El proyecto denominado Cyborg está
diseñado con la finalidad de aplicarlo como un sistema de
vigilancia e incluso un sistema que puede interactuar con las
personas, debido a que está comandado desde un puesto
diferente y no cercano a nuestro robot.

Este proyecto está montado sobre la cabeza y una
de las extremidades superior de un maniquí, el mismo que
será comandado a distancia a través de una serie de
sensores ubicados en el brazo y la cabeza de la persona que
comanda el sistema por medio de un guante y un cazco para el caso
de la cabeza, que además estará implementado con un
sistema de collar para el cuello el cual detectará los
movimientos mediantes LDR"s, además que el usuario
podrá obtener datos (audio y video) en tiempo real del
sitio en el que se encuentra nuestro prototipo de
vigilancia.

Para explicar de una mejor manera este proyecto lo
dividiremos en dos partes por un lado la cabeza y por otro el
brazo, a continuación se describirá el
funcionamiento de cada una de estas dos secciones conjuntamente
con los dispositivos empleados para el control de las
mismas.

2.1 CABEZA

Figura 1

Cabeza del robot

Para la parte de la emisión de datos se utilizo
una cabeza de maniquí dentro de la cual se coloco una
cámara con micrófono para la transferencia de datos
de audio y video.

En la cabeza existe un receptor de audio y video que
serán transmitidos hacia la persona que controla el
sistema, también existe un parlante para emisión de
voz por medio del cual puede comunicarse el controlador del
sistema y enviar cualquier tipo de señales de
audio.

La recepción de esta parte se encontraba en el
casco, al interior del mismo se encontraban los audífonos
para recibir el audio que previamente era filtrado y amplificado
en un circuito amplificador

Para tener una mejor conciencia del entorno y un mayor
ángulo de recepción de datos de video, la cabeza
puede rotar según los requerimientos de quien comanda el
sistema, este giro se da por medio de un Servomotor y sensores
hubicados en el mencionado "Collar", éste collar tiene 5
LDR"s los cuales representan 5 angulos para el movimiento del
servomor. Los ángulos se dan en 00, 450,900, 1350 y
1800.

Como podemos ver en la Figura 2 tenemos colocados los
distintos LDR"s para el posicionamiento de la cabeza
receptora.

Figura 2

Collar sensor

Tambien en la Figura 3 podemos observar precisamente el
circuito físico que comanda los sensores LDR"s para la
emisión de señales que rigen dicho
posicionamiento.

Figura 3

Circuito emisor de
movimiento

La emisión de las señales se
producían por medio de un casco. En frente del visor del
casco se encontraba montada sobre una estructura de madera una
pantalla de 8 pulgadas para la recepción de datos de
video.

Todo el control de la cabeza se lo realiza por medio de
dicho casco en el cual también están ubicados
audífonos con un micrófono para el intercambio
bidireccional de datos de audio, una pantalla liquida para la
recepción de video y un sensor medirá el movimiento
de giro de la cabeza de la persona que comanda el sistema y
hará que la cabeza del muñeco gire.

La señal del micrófono al pasar por otro
circuito amplificador de audio llegaba a un parlante ubicado al
interior del cuerpo del muñeco por medio del cual la
persona que controla el muñeco pueda
comunicarse.

Lo podremos apreciar a continuación en la Figura
4.

Figura 4

Casco Emisor de movimiento y
señales de audio, también recetor de señales
de audio y video

Cada circuito de audio tanto el que es en sentido
muñeco-casco como el opuesto casco-muñeco antes de
llegar a su destino pasan primero por un amplificador de audio
para mejorar la calidad de la señal. Por otra parte los
sensores de movimiento para el giro de la cabeza robot
también tiene un circuito que consta de LDR"s y
amplificadores operacionales que están como
comparadores.

Los circuitos mencionados están anexados
al final del informe en la parte de anexos, para una mejor
visualización.

2.1.1 AMPLIFICADORES DE AUDIO

Se han utilizado una etapa de amplificación con
un Amplificador Clase B (etapa casco-cabeza) y una de
preamplificación con un TDA 2040 (cabeza-casco) esto nos
permitirá tener una recepción y emisión de
señales de audio más claras.

Un amplificador de potencia funciona en clase B cuando
la tensión de polarización y la amplitud
máxima de la señal de entrada poseen valores tales
que hacen que la corriente de salida circule durante un
semiperíodo de la señal de entrada, y la otra mitad
en el otro semiperiodo, obteniendo de esta manera la forma de
onda completa y amplificada.

Mientras que el TDA trata de una etapa amplificadora de
alrededor 40 watts RMS. Para este tipo de amplificadores cada
canal a ser amplificado utiliza dos integrados en
configuración de puente.

2.1.2 SERVOMOTOR

El servomotor es un dispositivo similar a un motor
de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en
cualquier posición dentro de su rango de operación,
y mantenerse estable en dicha posición.

Consta con la capacidad de ser controlado, tanto en
velocidad como en posición.

Los servos son motores controlados por medio de
frecuencias las mismas que en este caso serán emitidas
desde el casco de control en los ángulos antes mencionados
y con frecuencias que apreciaremos en la siguiente
tabla:

.Tabla 1

A continuación detallaremos la
construcción interna de un servomotor mediante la Figura
5. [11]

Figura 5

Configuración interna de un
Servomotor

Para mayor detalle podemos observar en la Figura 6 las
disposiciones del servomotor según el tiempo de pulso del
cual tomamos la referencia para calcular las frecuencias
respectivas.

Figura 6

Posicionamiento de los servomotores
según el tiempo de puslo

En las siguientes gráficas mostramos las
simulaciones correspondientes a el circuito del servomotor y se
detalla en breve el funcionamiento del mismo.

Pero antes necesitamos especificar el circuito del que
se parte; así que se presenta a continuación el
esquema del circuito y seguido las gráficas
correspondientes al mismo.

Esquema 1

Circuito comandante del servomotor que en
nuestro caso controla el movimiento del brazo robot

Funcionamiento del circuito. El circuito anterior
no es nada más que PWM, mediante el potenciómetro
se regula el tiempo en el que el pulso esta en nivel alto o en el
ciclo útil.

A la salida del 555 hay un transistor que esta en
colector común y en modo de saturación, el objetivo
de este transistor es invertir la polaridad de la señal
que sale del pin 3 del 555.

Gráfica 1

Voltaje a la salida del pin
3

Gráfica 2

Voltaje en el colector del
transistor

Como se puede observar el transistor invierte la
señal de salida del 555.

El brazo se mueve 45 grados con respecto a una
referencia vertical, por lo que con el potenciómetro
regulamos para que se quede en 45 grados.

2.1.3 CAMARA DE VIDEO

El receptor de video que se implemento es una
cámara de video con un alcance de 100 metros de
transmisión, 2.4GHZ de frecuencia, con micrófono
incorporado.

A continuación en la Figura 7 podemos observar la
cámara que colocamos en la cabeza de "Cyborg" con la
respectiva caja de transmisión y los cables de
conexión.

Figura 7

Cámara
espía

• MULTIPLEXOR

Este circuito es de gran utilidad ya que nos permite
tener la opción de decidir o elegir una de las entradas
que queremos que funcione en ese mismo instante mediante una
señal de control establecida por el usuario mediante los
sensores.

En nuestro proyecto lo implementamos principalmente para
decidir la frecuencia y por lo tanto el giro de los servomotores,
para de esta forma establecer la posición de la cabeza
mediante las distintas señales y cargas resistivas que
generen la frecuencia ideal para hacerlo.

• FOTORRESISTENCIAS

La foto resistencia es un elementos electrónico
que se lo conoce también como LDR, su función es
reducir su nivel resistivo la con presencia de luz.

En nuestro circuito del "Cyborg" su función es
como un sensor que active un paso del servomotor, tratando de
esta manera que la posición de la cabeza del robot sea
diferente dependiendo el LDR que en ese momento tenga presencia
lumínica.

A continuación en la Figura 8 se presenta la
forma física de la fotorresistencia usada.

Figura 8

Sensor: Fotorresistencia
(LDR)

BRAZO

Se utilizo sensores en el brazo de la persona que
comanda el muñeco que envían señales hacia
este último para imitar los movimientos de flexión
del codo y también el movimiento de cerrar y abrir la
mano. El sensor fue colocado un una manga de cartón de
color metálico para simular prótesis y el elemento
sensor fue un fin carrera que simplemente activaba el giro en un
sentido al estar en contacto cerrado y lo dirigía en
sentido contrario al estar en contacto abierto.

A continuación se puede observar el mecanismo
utilizado en la Figura 9.

Figura 9

Mecanismo emisor para el brazo
robot

El control del giro del brazo robot se lo
consiguió también con un servomotor colocado en la
parte superior derecha del maniquí y unido al brazo para
el giro.

A continuación podemos observar el circuito
físico que regía el comportamiento del brazo robot,
según las señales emitidas por la estructura de
cartón y el sensor correspondiente. Figura 10.

Figura 10

Circuito de control del brazo
robot

Por otra parte el movimiento de la mano se la
consiguió mediante elementos disponibles en el mercado y
denominados electromúsculos, los cuales funcionan mediante
corriente realizando una contracción cuando a los
componentes les llega una cantidad de corriente. Para la mano se
utilizo un guante con contactos metálicos los mismo que al
cerrar la mano la persona, mandan corriente por cada uno de los
circuitos ubicados en la mano del muñeco haciendo que se
contraigan los dedos. En la figura 11 podemos observar el guante
emisor y la mano receptora que generaban el movimiento o
contracción mediante los sensores colocados en los dedos
del guante.

Figura 11

Guante emisor y mano receptora de
"Cyborg"

En la Figura 12 podemos observar precisamente el
circuito físico que rige el comportamiento de los
electromúsculos y por ende de la mano
robótica.

Figura 12

Circuito controlador de la mano
robótica

2.2.1 ALAMBRES TERMOCONTRIBLES

Los alambres termocontraíbles generalmente son de
un material denominado nitinol. El nitilo es de una clase de
material al que se le llama aleación con memoria de forma,
este tipo de aleaciones tienen características
interesantes, en el caso del nitinol por ejemplo se contrae
cuando se calienta, consiguiendo también un movimiento
térmico (extensión-contracción) 100 veces
mayor que la de otros metales estándar.

Ya que los electromúsculos se contraen al
calentarse y esto se consigue haciendo pasar corriente por los
mismo, es necesario protegerlos de sobre corrientes por lo que se
conectaron resistencias en serie a cada sección para
evitar que los electromúsculos se quemen.

Los circuitos correspondientes al brazo mecánico
también los detallaremos en la parte de anexo.

Conclusiones

Es un proyecto que tiene su complejidad y fue
interesante realizarlo ya que a medida que íbamos ideando
lo que haría cada parte del mismo también
teníamos que idear como haríamos que realice dicha
función.

Nos permitió utilizar nuestra creatividad siempre
solventada por la tecnología que conocemos y
también la tecnología que no es muy conocida en
nuestro país.

Al realizar el montaje del proyecto y comprobar el
funcionamiento del mismo nos dimos cuenta de que no solo
podía ser aplicado en actividades como las que se
mencionan al inicio del informe sino que son innumerables las
ideas de aplicaciones que surgen y no solo con el prototipo base
que tenemos sino aplicando a este mismo algunas modificaciones
según sea los requerimientos y conveniencias.

Referencias
bibliográficas

[1]
http://www.taringa.net/posts/hazlo-tu-mismo/6273941/Amplificador-de-audio-casero-con-TDA2040.html.

[2]
http://robots-argentina.com.ar/Actuadores_musculosalambre.htm

[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Servomotor

[4] http://proton.ucting.udg.mx.

[5] http://www.unicrom.com.

[6] http://www.electronicafacil.net.

[7] http://electronica.webcindario.com.

[8] Sitio Buenas tareas

[9] http://www.apuntesdeelectronica.com.

[10] http://www.enterfactory.com.

[11]http://www.monografias.com/trabajos60/servo-motores/servo-motores

Anexos

En esta sección se adjuntan todos
los esquemas de los circuitos que se implementaron para la
realización de este proyecto.

ETAPA DE AUDIO (CAZCO)

AMPLIFICADOR DE POTENCIA CLASE B CON
UN PREAMPLIFICADOR TDA 2040

ETAPA DE EMISIÓN DE
SEÑALES PARA EL MOVIMEINTO DE EL SERVOMOTOR COMANDANTE DE
LA CABEZA DEL ROBOT

ETAPA DE COMANDO DEL BRAZO ROBOTIZADO POR MEDIO DEL
SERVOMOTOR

ETAPA DE AUDIO (CABEZA)

AMPLIFICADOR DE POTENCIA CLASE B CON
UN PREAMPLIFICADOR TDA 2040

Autor:

Fernando Arévalo,

Andrés Aucay,

Libio Calle,

Christian Espejo,

Adrián Moscoso,

Romeo Orellana,

Franco Pérez,

Alexis Pucha.