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

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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.

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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.

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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.

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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:

ANGULO DE TRABAJO	FRECUENCIA PARA EL SERVO
00	800Hz
450	666.6667Hz
900	571.42Hz
1350	500Hz
1800	444.444Hz

.Tabla 1

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

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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.

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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.

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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.

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Gráfica 1

Voltaje a la salida del pin 3

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.