Proyecto final 2016-
Descrição do Produto
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE ROBOTS PROTOTIPO SEGUIDORES DE LÍNEA PARA RECOLECCIÓN Y ORGANIZACIÓN DE PRODUCTOS EN LAS BODEGAS DE LOS ESTABLECIMIENTOS
STEVENSON RIBON AMARIS ALEX EDUARDO GÓMEZ ESCOBAR
UNIVERSITARIA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO “UDI” ESCUELA DE ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BARANCABERMEJA AÑO 2016
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE ROBOTS PROTOTIPO SEGUIDORES DE LÍNEA PARA RECOLECCIÓN Y ORGANIZACIÓN DE PRODUCTOS EN LAS BODEGAS DE LOS ESTABLECIMIENTOS
STEVENSON RIBON AMARIS ALEX EDUARDO GÓMEZ ESCOBAR
PROYECTO DE GRADO DIRECTOR ANDRÉS MAURICIO SALINAS CALA INGENIERO ELECTRÓNICO
UNIVERSITARIA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO “UDI” FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BARANCABERMEJA AÑO 2016
NOTA DE ACEPTACIÓN
Nota de aceptación ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________
______________________________ Presidente del jurado ______________________________ Jurado ______________________________ Jurado
Barrancabermeja, Noviembre de 2016.
4
DEDICATORIA
Dedico principalmente esta tesis a Dios, por haberme dado la vida, por darme la oportunidad de ser alguien y por darle vida a mis padres para que pudieran observar lo que soy hoy por hoy. Dedico esta tesis a mi hermana Karen Gómez Escobar, quien fue un apoyo emocional durante el proceso de este proyecto. A mis padres Pablo Eduardo Gómez Villegas y Vianey del Pilar Escobar Rangel, quienes fueron un motor moral y económico para siempre seguir adelante y nunca rendirme cuando ya todo parecía perdido. Para ellos es esta dedicatoria, puesto que siempre estuvieron en los momentos más difíciles. ALEX EDUARDO GÓMEZ ESCOBAR.
A mis padres Luz Marina Amaris Ríos y José David Ribon quienes fueron un apoyo económico durante este proceso. A mis amigos Shirley Pontón, Jonathan Cardozo, Harold Sánchez, quienes han sido una pieza fundamental de apoyo moral para efectuar la realización de este trabajo de grado. A quienes justipreciaron la tesis para para aprobarla. STEVENSON RIBON AMARIS.
5
AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo se le agradece principalmente a Dios y a mis padres, por siempre mostrarme su apoyo incondicional y por guiarme en este largo proceso. A los docentes que han estado durante todo este proceso y que siempre hubo un espacio para ayudarnos y corregirnos en todo aquello que estaba mal, al Ingeniero César Barrios por su gran apoyo y acompañamiento, al Ingeniero Eduardo Rangel por siempre estar ahí para dar su consejo, al ingeniero Arides Meneses por haber colaborado en gran parte a la elaboración de este proyecto, al Ingeniero Freddy Rojas por ser siempre incondicional ante cualquier solicitud de alguna información y en especial a nuestro director el Ingeniero Andrés Salinas quién ha sido parte fundamental de la elaboración y construcción de este proyecto de grado y porque siempre estuvo al pendiente de cualquier duda, dándonos sus consejos y en general por permitir que esto se cumpliera, a ellos muchas gracias por habernos acompañado en todo este proceso, no solo en la tesis de grado sino también a lo largo de la carrera.
GRACIAS…
6
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 21 1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 23
2
OBJETIVOS.................................................................................................... 24 2.1
OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 24
2.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................... 24
3
JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 25
4
ALCANCES Y LIMITACIONES ....................................................................... 26
5
MARCO DE REFERENCIA ............................................................................ 27 5.1
MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE ............................................ 27
5.1.1
Montacargas (Máquina a reemplazar).. ............................................ 27
5.1.2
Seguidores de línea (Como mecanismo a utilizar).. ......................... 29
5.1.3
Robot prototipo recolector seguidor de Línea.. ................................. 32
5.2
MARCO CONCEPTUAL .......................................................................... 33
5.2.1
Robótica.. ......................................................................................... 33
5.2.2
Actuadores. ...................................................................................... 34
2.2.2.1 Motores DC. .................................................................................... 34 5.2.2.2 5.2.3
Motores paso a paso.. ................................................................. 34
Sensores.: ........................................................................................ 35
5.2.3.1
Sensores de infrarrojos y distancia.. ............................................ 36
✓
CNY70.. ............................................................................................ 36
✓
QRD1114. ........................................................................................ 37
✓
TCRT5000L.. .................................................................................... 37
✓
ULTRASÓNICO HC-SR04. .............................................................. 38
7
✓
SHARP. ............................................................................................ 39
5.2.4
Comunicación.. ................................................................................. 40
5.2.4.1
XBee. ........................................................................................... 40
5.2.4.2
Bluetooth...................................................................................... 41
5.2.5
Micro controlador.. ............................................................................ 42
5.2.5.1 5.2.6
Arduino ........................................................................................ 42
Interfaz gráfica. ................................................................................. 44
5.2.6.1
Labview. ...................................................................................... 45
5.2.6.2
Visual studio. ............................................................................... 45
✓
Característica vb.net 2013 ........................................................... 46
5.2.6.3
Sistema de información de base de datos ................................... 46
✓
¿Qué es un Sistema de BD? ............................................................ 46 ✓ Componente de una Base de Datos. Componentes del sistema de una base de datos:............................................................................... 46
✓
El Método de Administración de una Base de datos. ....................... 48
✓
El Modelo Relacional de la base de datos ........................................ 48
5.2.6.4
Herramienta para almacenar datos. ............................................ 48
✓
¿Qué es Microsoft Access? .............................................................. 49
✓
Características Access ..................................................................... 49
5.2.6.5 ✓
Ingeniería de software. ................................................................ 49
MODELO DE CICLO DE VIDA ......................................................... 49 ✓
✓
Modelo en Cascada. .................................................................... 50 TÉCNICAS DE RESPALDO Y SEGURIDAD: .................................. 51
✓
Copia de seguridad (Backups)..................................................... 51
✓
TIPOS DE RESPALDO: .............................................................. 51 ✓ Respaldo completo ("full"). ......................................................... 51 ✓ Respaldo individual (una parte de la base de datos). ................. 51 ✓ Ventajas y desventajas de los tipos de respaldo ........................ 51
6
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 52
7
ETAPA DE SENSORES Y ACTUADORES ................................................... 54
8
7.1
DISEÑO ELECTRÓNICO DE SENSORES Y ACTUADORES ................ 54
7.1.1
Sensor infrarrojo TCRT5000L.. ........................................................ 56
7.1.1.1
Módulo TCRT5000L.. .................................................................. 57
7.1.2
Sensor de distancia. ......................................................................... 58
7.1.3
Actuadores. ...................................................................................... 61
7.1.3.1
Etapa de control para los motores ............................................... 63
8
ETAPA DE CONTROL MEDIANTE ARDUINO ............................................... 64
9
ETAPA DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA ............................................... 71 9.1
Circuito de conexión del módulo XBee. ................................................... 72
9.2
Modo de operación de los módulos XBee ............................................... 73
9.3
Formas de comunicación de los módulos XBee ...................................... 74
•
Modo AT. ................................................................................................. 74
•
Modo API. ................................................................................................ 74
9.4
Software de configuración ....................................................................... 74
9.5
Arquitectura de red .................................................................................. 74
9.5.1
Coordinador ...................................................................................... 74
9.5.2
Router............................................................................................... 74
9.5.3
Dispositivos finales ........................................................................... 74
9.6
Modo de bajo consumo ........................................................................... 75
9.7
Modo de comando ................................................................................... 75
10 PLATAFORMA DE COMUNICACIÓN ENTRE LOS MONTACARGAS Y EL SOFTWARE EN VISUAL STUDIO. ....................................................................... 82 10.1
REQUISITOS DEL SISTEMA .................................................................. 82
10.1.1
Definición conceptual del sistema Xexpress. ................................... 82
10.1.2
Descripción de la información.......................................................... 83
10.1.3
Casos de uso:................................................................................... 83
10.1.3.1 Autores del sistema..................................................................... 83 10.1.3.2 Modelo Funcional del sistema ..................................................... 84 ✓ DFD DEL SISTEMA .................................................................. 85 10.1.4
Modelo Entidad - Relación del sistema Xexpress ............................ 86
9
10.1.4.1 Entidades .................................................................................... 86 10.1.4.2 Relaciones .................................................................................. 91 10.1.5
Modelo Relacional del sistema Xexpress. ........................................ 92
10.1.5.1 Tablas ......................................................................................... 92
10.2
✓
Categorías.. ...................................................................................... 92
✓
Datos de la Empresa.. ...................................................................... 92
✓
Entradas y Salidas............................................................................ 93
✓
Estante del producto......................................................................... 93
✓
Estantes. .......................................................................................... 94
✓
Marcas. ............................................................................................. 94
✓
Números de Entradas....................................................................... 95
✓
Números de Salidas.. ....................................................................... 95
✓
Ordenes Pedidos.. ............................................................................ 96
✓
Pedidos. ........................................................................................... 96
✓
Productos. ........................................................................................ 97
✓
Usuarios. .......................................................................................... 97
IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA XEXPRESS ................................... 98
10.2.1
Inicio del Programa........................................................................... 98
10.2.2
Conexión.. ........................................................................................ 99
10.2.2.1 Usuarios. ..................................................................................... 99 10.2.3
Sistema Xexpress........................................................................... 100
10.2.4
Inventario.. ...................................................................................... 101
10.2.4.1 Nuevo producto. ........................................................................ 101 10.2.4.2 Consultas.. ................................................................................ 102 10.2.4.3 Modificar, eliminar y mostrar un producto.. ............................... 103 10.2.4.4 Categorías y marcas.. ............................................................... 104 10.2.5
Reportes. ........................................................................................ 105
10.2.5.1 Reporte Entradas y Salidas.. .................................................... 106 10.2.5.2 Reporte de Productos. ............................................................. 107 10.2.5.3 Reporte estado de productos.. .................................................. 108 10
10.2.5.4 Reporte Órdenes – Facturas..................................................... 110 10.2.6
Configuración. ................................................................................ 111
10.2.6.1 Usuarios. ................................................................................... 112 10.2.6.2 Datos de la Empresa................................................................. 113 10.2.6.3 Copia de seguridad. .................................................................. 114 10.2.6.4 Restablecer base de datos.. ..................................................... 115 10.2.7
Pedidos. ......................................................................................... 116
10.2.7.1 Modalidad pedidos.. .................................................................. 117 10.2.7.2 Modalidad Inventariar................................................................ 119 10.2.7.3 Estantes. ................................................................................... 121 10.2.8
Manejo de Errores.. ........................................................................ 122
10.2.8.1 Errores Tipo 1. .......................................................................... 122 10.2.8.2 Errores Tipo 2.. ......................................................................... 123 10.2.8.3 Errores Tipo 3.. ......................................................................... 124 10.2.8.4 Tabla de errores ........................................................................ 124 10.2.9
Instalación.. .................................................................................... 125
11
CONCLUSIONES ..................................................................................... 128
12
RECOMENDACIONES ............................................................................. 129
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 130 ANEXOS .............................................................................................................. 133
11
LISTA DE FIGURAS
Pág.
FIGURA 1. Montacargas para pasillos. .................................................................. 27 FIGURA 2. Seguidor de línea OHMIUS. ................................................................ 29 FIGURA 3. Diseño temporal del Robot prototipo recolector seguidor de línea. ..... 32 FIGURA 4. CNY70. ................................................................................................ 36 FIGURA 5. QRD1114. ........................................................................................... 37 FIGURA 6. TCRT5000L. ........................................................................................ 37 FIGURA 7. ARDUINO MEGA 2560. ...................................................................... 42 FIGURA 8. Modelo de cascada. ............................................................................ 50 FIGURA 9. Visualización del funcionamiento del emisor y receptor. ..................... 57 FIGURA 10. Módulo TCRT5000L. ......................................................................... 57 FIGURA 11. Código en Arduino en modo digital...... ¡Error! Marcador no definido. FIGURA 12. Código en Arduino en modo análogo. . ¡Error! Marcador no definido. FIGURA 12. Módulo ultrasónico. ........................................................................... 58 FIGURA 13. Diagrama de conexiones del ultrasónico al Arduino. ......................... 59 FIGURA 14. Visualización del código Arduino. ...................................................... 60 FIGURA 15. Motorreductor encargado de la locomoción de cada robot. ............... 62 FIGURA 16. Diagrama esquemático de la shield................................................... 63 FIGURA 17. Imagen del Arduino Mega2560. .......... ¡Error! Marcador no definido. FIGURA 18. Esquemático y distribución de cada uno de los pines del micro controlador ATmega2560. ....................................... ¡Error! Marcador no definido. FIGURA 19. Vista frontal de un módulo XBee. ...................................................... 71 FIGURA 20. Esquema de conexión al Arduino. ..................................................... 72 FIGURA 21. Circuito de conexión. ......................................................................... 73 FIGURA 22. Modos de operación. ......................................................................... 73 12
FIGURA 23. Diagrama funcional............................................................................ 84 FIGURA 24. Diagrama de flujo del sistema. .......................................................... 85 FIGURA 25. Entidad Usuarios. .............................................................................. 86 FIGURA 26. Entidad Productos. ............................................................................ 86 FIGURA 27. Entidad Marcas.................................................................................. 87 FIGURA 28. Entidad Categorías. ........................................................................... 87 FIGURA 29. Entidad Datos_empresa. ................................................................... 87 FIGURA 30. Entidad Pedidos. ............................................................................... 88 FIGURA 31. Entidad Ordenes_Pedidos................................................................. 88 FIGURA 32. Entidad Entradas_Salidas. ................................................................ 89 FIGURA 33. Entidad Numeros_Entradas. ............................................................. 89 FIGURA 34. Entidad Numeros_Salidas. ................................................................ 89 FIGURA 35. Entidad Estantes. .............................................................................. 90 FIGURA 36. Entidad Estantes_producto. .............................................................. 90 FIGURA 37. Relaciones del sistema. ..................................................................... 91 FIGURA 38. Tabla categoría.................................................................................. 92 FIGURA 38. Tabla Datos de la Empresa. .............................................................. 92 FIGURA 39. Tabla Entradas y Salidas ................................................................... 93 FIGURA 40. Tabla Estante del producto ................................................................ 93 FIGURA 41. Tabla Estantes................................................................................... 94 FIGURA 42. Tabla Marcas. .................................................................................... 94 FIGURA 43. Tabla Números de Entradas. ............................................................. 95 FIGURA 44. Tabla Números de Salidas. ............................................................... 95 FIGURA 45. Tabla Ordenes Pedidos. .................................................................... 96 FIGURA 46. Tabla Pedidos. .................................................................................. 96 FIGURA 47. Tabla Productos. ............................................................................... 97 FIGURA 48. Tabla Usuarios. ................................................................................. 97 FIGURA 49. Iniciando. ........................................................................................... 98 FIGURA 50. Iniciando. ........................................................................................... 99 FIGURA 51. Pantalla Principal. ............................................................................ 100 13
FIGURA 52. Inventario. ........................................................................................ 101 FIGURA 54. Buscar Producto. ............................................................................. 102 FIGURA 55. Modificar un producto. ..................................................................... 103 FIGURA 56. Marca. ............................................................................................. 104 FIGURA 57. Categoría. ........................................................................................ 104 FIGURA 58. Reporte. ........................................................................................... 105 FIGURA 59. Reporte. ........................................................................................... 106 FIGURA 60. Reporte de productos. ..................................................................... 107 FIGURA 61. Reporte de estado de productos. .................................................... 108 FIGURA 62. Reporte de órdenes- facturas. ......................................................... 110 FIGURA 63. Configuración. ................................................................................. 111 FIGURA 64. Usuarios. ......................................................................................... 112 FIGURA 65. Datos de la empresa. ...................................................................... 113 FIGURA 66. Copia de seguridad. ........................................................................ 114 FIGURA 67. Restablecer base de datos. ............................................................. 115 FIGURA 68. Pedidos. .......................................................................................... 116 FIGURA 69. Modalidad Pedidos. ......................................................................... 117 FIGURA 70. Modalidad Inventario. ...................................................................... 119 FIGURA 71. Estantes. ......................................................................................... 121 FIGURA 72. Error al escribir un dato erróneo ...................................................... 122 FIGURA 73. Error al no escribir un dato obligatorio. ............................................ 122 FIGURA 74. Error al escribir un código existente, para ingresarlo como nuevo. 123 FIGURA 75. Error al buscar un producto que no existe en la BD. ....................... 123 FIGURA 76. Error al no tener los permisos de alto privilegios. ............................ 124 FIGURA 77. Diálogo asistente. ............................................................................ 125 FIGURA 78. Diálogo carpeta de instalación. ........... ¡Error! Marcador no definido. FIGURA 79. Diálogo Confirmación. ..................................................................... 126 FIGURA 80. Diálogo Instalando. .......................................................................... 126 FIGURA 81. Diálogo Terminación de la instalación. ¡Error! Marcador no definido.
14
LISTA DE TABLAS
Pág.
TABLA 1. Comparación entre algunos módulos XBee. ......................................... 41 TABLA 2. Características del Arduino Mega2560. ... ¡Error! Marcador no definido. TABLA 3. Requisito del sistema............................................................................. 82 TABLA 4. Tabla de errores .................................................................................. 124
15
LISTA DE ANEXOS
Pág. ANEXO A………………………………………………………………………………..131
16
GLOSARIO
BD: Hace referencia a la base de datos. CENTÍMETRO: Unidad de medida de distancia, y es la centésima parte de un metro. CLIC: Acción que determina pulsar un botón. Corriente(A): Es el paso de electrones de un lado a otro a través de un conductor. DFD: Diagrama de flujo. ECHO: Pin que hace las veces de receptor del ultrasonido. GHz: Unidad de medida de frecuencia y es 1000000000 veces Un Hz. GND: Significa tierra y es el cátodo de la batería. HZ: Unidad de medida de frecuencia. ID: Es el identificador del elemento que se encuentra en una base de datos. IP: Es un protocolo web para identificar un equipo. KG: Unidad de masa que equivale a la fuerza que actúa sobre la masa de 1 kilogramo sometido a la gravedad normal. KHZ: Unidad de medida de frecuencia y es 1000 veces Un Hz. METROS: Unidad de medida de distancia. MILIAMPERIOS (mA): Es una unidad de corriente que denota (10^-3[A]) y que es igual a la milésima parte de un amperio. MILÍMETRO (mm): Es una unidad de longitud equivalente a la milésima parte de un metro (10^-3[m]). MONTACARGAS: Dispositivo que se usa en grandes industrias para la realización de transporte de cargas pesadas. NANÓMETRO (nm): Unidad de longitud que equivale a la milmillonésima parte del metro (10^-9[m]).
17
NICK: Apodo del usuario. PUERTO COM: Son los puertos USB que tienen los computadores y que se configuran de acuerdo a las aplicaciones que se requieran. RX: Recepción de datos. SHIELD: Escudo en español, es simplemente un circuito adaptado a un Arduino el cual se coloca encime de la placa Arduino. TRIGGER: Pin que funciona como emisor del ultrasonido. TTL: Lógica transistor-transistor, y es una tecnología de construcción de circuitos digitales. TX: Transmisión de datos. URL: Dirección de las páginas web. µS: Medida de tiempo, que es igual a la millonésima parte de un segundo. VCC: Es lo mismo que alimentación, es decir, al sócalo en donde se conecta el ánodo de la batería. VOLTAJE (V): Representa al voltaje que es suministrado a los dispositivos.
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RESUMEN
El siguiente proyecto surge como una necesidad de la implementación de la robótica móvil en el área industrial como en este caso son bodegas pequeñas de almacenamiento en donde los tiempos de respuesta son lentos y además los costos altos. Por lo tanto, se dará solución mediante el uso de robots seguidores de línea con un sistema de montacargas para realizar todas aquellas acciones que a diario se encuentran en aquellas empresas, mediante etapas que comprenden el estudio del estado del arte, sensores y actuadores, etapa de control que incluye el micro controlador y el driver para control de motores, una etapa de comunicación la cual será inalámbrica entre el usuario y el robot, además una interfaz gráfica amigable para que cualquier persona con poco conocimiento pueda manipularla como un profesional. Palabras clave— Robótica móvil, área industrial, bodegas de almacenamiento, montacargas, seguidor de línea, sensores, actuadores, micro controlador, driver e interfaz gráfica.
19
ABSTRACT
The following project arises as a need of the implementation of the mobile robotics in the industrial area as (like) in this case they are small warehouses of storage where the times of response are slow and in addition the high costs. Therefore, solution will be met by means of the use of robots followers of line by a system of freight elevator to realize all those actions(shares) that daily think in those companies, by means of stages that they understand(include) the study of the condition(state) of the art, sensors and actuators, stage of control that includes the control mike and the driver for control of engines, a stage of communication which will be wireless between(among) the user and the robot, in addition a graphical amicable interface in order that any person with little knowledge could manipulate her as a professional. Key words - mobile Robotics, industrial area, warehouses of storage, freight elevator, line follower, sensors, actuators, microcontroller, driver and graphical interface.
20
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, una de las principales características de cualquier dispositivo es la de ser móvil y con fácil conectividad a otros equipos, el mundo de lo inalámbrico es un reto muy grande que cumplir, la mayoría de las empresas que desarrollan prototipos o equipos en lo primero que están pensando es en proponer un sistema de conexión remota de manera inalámbrica para el envío de la información. En cuanto a nivel industrial se habla, es una gran responsabilidad crear equipos cuyo funcionamiento sea de manera inalámbrica, porque cada vez estos módulos permiten un acceso fácil y confiable, que no solo garantizan la seguridad de los datos si no que permiten estar en cualquier ambiente. En las grandes industrias se puede observar que sus equipos operan bajo una gran red de cables o medios físicos para el envío y recepción de datos, en contraste a esto, las tecnologías inalámbricas resultan a veces más óptimas, debido a su bajo costo de implementación, la reducción casi por completo de cables, costos de mantenimiento, y su versatilidad, esto indica que pueden ser instalados en otros lugares sin perder conectividad y sin alterar el medio. Este proyecto plantea un sistema que cambia lo tradicional por algo mucho más interesante y efectivo, en donde la comunicación será una parte crucial. En el documento se enfoca la realización de estos prototipos desde su diseño hasta su implementación y para esto se estructura el análisis de la ingeniería conceptual de otros trabajos realizados en este campo, el diseño y la implementación de cada prototipo, la configuración de la comunicación inalámbrica, el desarrollo de la interfaz gráfica y la verificación de su funcionalidad. Como Amazon, que adquirió a la empresa Kiva Systems que se encargó por muchos años a la fabricación de robots cuya capacidad motriz es realmente rápida, exacta, precisa, efectiva y eficiente y que ahora cuenta con robots capaces de recoger productos en sus extensas bodegas de almacenamiento.
21
En el capítulo 2 se explica el diseño del montacarga, especificando la forma del prototipo, sus dimensiones; además de la selección de los sensores mediante un análisis riguroso de los distintos sensores que se encuentran en el mercado. En el capítulo 5, se presenta el código programado en la tarjeta Arduino, donde se muestra la manera en que se manipulan las señales de entrada y salida con el fin de entregar las órdenes al prototipo para cumplir su misión. La configuración de la comunicación inalámbrica se presenta en el capítulo 6 indicando los módulos utilizados, su estructura básica y conexiones. El capítulo 7 presenta la plataforma de comunicación entre el montacarga y el software arduino. El desarrollo de la interfaz gráfica y la verificación de su funcionalidad.
22
1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Desde los inicios de la revolución industrial, en donde se da comienzo a la implementación de las máquinas en los diferentes sectores productivos y empresariales, se han desarrollado diferentes tecnologías en pro de ayudar al ser humano y facilitar su labor, en la realización de sus actividades, tanto en industrias como en confort, se ha investigado, estudiado y creado nuevas tecnologías las cuales permiten facilitar el trabajo, ampliando las capacidades de operatividad en cuanto a exactitud y precisión, permitiendo así un trabajo aún más eficiente, rápido y seguro. En las diferentes industrias, es común encontrar sistemas automatizados que cumplen la labor de recolectar y organizar productos de bodega, sin embargo en la actualidad se pueden encontrar que pequeñas empresas Colombianas, llevan a cabo la gestión de bodegas de forma manual, o equipos mecánicos que en su mayoría no llegan a ser Semi-automatizados, esto genera pérdidas de tiempo, mal uso de los espacios, demora en el proceso de aparejamiento y almacenamiento, gastos de energía innecesaria, costos de operación elevados y además desconfianza para el buen funcionamiento en relación a operaciones portuarias y demás que requieran un buen flujo de operación de bodega. En Colombia se ha ido incrementado el sector comercial y ampliamente los grandes centros comerciales o bodegas en todo el país, en donde se almacena una gran cantidad de productos provenientes de todas partes del mundo, es necesario tener en orden estos lugares ya que ninguna empresa está dispuesta a tener pérdidas por ineficiencia en el personal. El proyecto abordará como problema la automatización de bodegas de micro empresas a quienes va dirigido, estas solo operan con montacargas o manualmente por la persona encargada en recolectar y organizar productos en dicha bodega. Dándole solución por medio de robots prototipo seguidores de línea para recolección y organización de productos. Inicialmente se estudiarán los métodos de construcción de robots seguidores de línea y se elegirá un modelo robusto que se adapte a la necesidad.
23
2
OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar e implementar robots prototipo seguidores de línea para recolección y organización de productos en las bodegas de los establecimientos. 2.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Plantear el estudio del estado del arte con el fin de seleccionar los elementos necesarios para el diseño que se requiere. •
Analizar y establecer los sensores más óptimos para la medición y que permita un buen adaptamiento a la electrónica del control de los actuadores.
•
Diseñar el programa en el software de Arduino que permita controlar los robots seguidores y enviar la información al sistema de control.
•
Diseñar e implementar el enlace inalámbrico entre hombre y máquina.
•
Diseñar una interfaz gráfica que permita monitorear, controlar el proceso de recolección y organización de productos.
24
3
JUSTIFICACIÓN
El proyecto nace como una solución puntual hacia establecimientos o microempresas cuyas bodegas sean pequeñas y en donde se requieran resultados eficientes para efectuar la demanda de pedido de artículos. En este proyecto se busca automatizar lugares confinados, en donde las empresas no cumplan con las garantías o los requisitos óptimos para la seguridad de sus trabajadores dado que esto puede generar sanciones o multas a la empresa. Se diseñarán e implementarán dos prototipos de robots seguidores de línea con un sistema similar al de un montacargas, los cuales obedecerán a órdenes de cargar y movilizar artículos en diferentes puntos de la bodega. Estas órdenes serán dadas por un usuario a partir de una interfaz gráfica. Con este proyecto se busca favorecer en gran medida a micro empresas o establecimientos pequeños en los cuales se tengan problemas de organización y recolección de los productos en sus respectivas bodegas, esto conlleva que haya demoras en el personal cuando se está realizando gestión de bodegas.
25
4
ALCANCES Y LIMITACIONES
Para el diseño e implementación de los presentes prototipos montacargas se han establecido algunos parámetros de suma importancia para las características del mismo. Estos prototipos contarán con unas dimensiones de 55cmx32cmx45cm que consta de con dos ruedas y dos ruedas locas y cuyo desplazamiento serán los básicos, adelante, atrás, izquierda y derecha. Cada robot identificará el recorrido mediante sus sensores infrarrojos en una pista con rutas establecidas interactuando constantemente con el micro controlador para poder tomar decisiones que involucren que cada robot pueda tomar los productos y llevarlos hasta el operador, además de evadir posibles obstáculos dentro de las rutas de movimiento. Cada prototipo contará con una pinza que hace las veces de montacarga con dimensiones de 20cmx15cm y cuya carga máxima será no mayor a 18kg. Tendrá motores eléctricos de gran potencia cuya limitante es el consumo de corriente y por ende el desgaste de la batería, pero al ser eléctricos no generan gases tóxicos o elementos contaminantes al medio ambiente que hoy en día es una gran problemática a nivel mundial como si lo hacen los motores a combustión. El tamaño y diseño de la pista se hizo de acuerdo al sitio y al rango de comunicación que cada robot ofrece.
26
5
5.1
MARCO DE REFERENCIA
MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE
5.1.1 Montacargas (Máquina a reemplazar). Los montacargas han sido de gran utilidad para el hombre, en el sentido en que se le facilita al levantar objetos pesados de una forma más fácil y transportarlo a otro lugar, pero se busca mejorar este sistema de otro modo sencillo y eficaz. Para este proyecto se ha planteado la idea de construir dos robots con el suficiente torque para levantar una caja de cartón promedio, el prototipo consta de 4 ruedas para su movilidad, el cual permitirá desplazarse hacia adelante como hacia atrás. Dentro de sus facultades tendrá la capacidad de seguir un recorrido guiándose por sus sensores a través de unas líneas negras demarcadas en el suelo, además deberá ser capaz de evitar colisionar con algún obstáculo o con otro robot. Este será controlado desde un computador inalámbricamente mediante bluetooth, el control y procesamiento lo realizará la tarjeta Arduino que es un software libre e ideal para esta clase de proyectos. Figura 1. Montacargas para pasillos.
Fuente: [19].
27
Según (Llamas García 1 , José Agustín, 2016) actualmente los montacargas de gasolina, gas L.P. y eléctricos difieren de un montacargas de uñas ( patín hidráulico), ya que son más costosos y de difícil acceso en espacios reducidos; un montacargas de uñas es operado manualmente por una o dos personas produciendo esfuerzo físico, en ocasiones por este tipo de problemas se disminuye el tiempo de traslado y abastecimiento en la producción, cabe mencionar que con el tiempo el operador puede sufrir algún daño físico. Se propone diseñar un montacargas de uñas automático, el cual contendrá el diseño del sistema de transmisión mecánica y eléctrica, un dispositivo que controle la elevación de las uñas por medio de un pistón hidráulico, accionado por un control ubicado en el manubrio, el cual regirá la velocidad de avance, encendido y apagado del sistema de transporte automático, cabe mencionar que el abastecimiento de energía se realizará por medio de baterías recargables. Pues lo planteado por Llamas García, José Agustín no se desvía mucho a la investigación planteada por este proyecto ya que se usarán robots que lo harán automáticamente. (Llamas García1, José Agustín, 2016) plantea que, existen diversos tipos de montacargas, los cuales se caracterizan por la capacidad que tienen al transportar distintos tipos de carga, ya sea material a granel en contenedores, maquinaria, materia prima o algunos otros objetos que se requieran trasladar a lo largo de algún proceso o actividad.
1
Llamas García, José Agustín. Montacargas de uña automático. [En línea]. Disponible en internet < http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/82/TESIS_%20MONTACARGAS%20AUTOMATICOllamas.pd
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5.1.2 Seguidores de línea (Como mecanismo a utilizar). Los seguidores de línea en robótica son muy utilitarios, que se pueden emplear en ideas muy productivas y facilitan procesos, debido a que son simples en cuanto a tamaño y funcionamiento, son los robots ideales para proyectos como este, en donde se requiera de plasticidad y eficiencia para poder realizar las acciones programadas, guiados mediante dispositivos sensoriales ubicados en la parte baja del chasis para una mayor precisión en la medida, puesto que son sensores con muy poca distancia de medición( en el orden de los milímetros), por un par de motores que se encargan de mover el robot a través de una línea demarcada en el suelo, y estos a su vez controlados por un micro controlador el cual se encargará de dar las órdenes pertinentes las cuales se programaron y se cargaron a la placa con anterioridad. Figura 2. Seguidor de línea OHMIUS.
Fuente: [20].
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Según (Margarita Alejandra Rebolledo Coy2 y David Arnulfo Rojas Gualdron2) Los seguidores de línea son prototipos autónomos cuya principal tarea es desarrollar un recorrido demarcado por una línea. Estos robots se fundamentan en la utilización de sensores que detectan luz infrarroja y en la implementación de micro controladores. Este sistema es similar, pero el robot utilizará las líneas negras como desplazamiento a sus puntos o metas que se le han planteado mediante órdenes dadas por la interfaz o programa utilizado por el usuario. De acuerdo con (Margarita Alejandra Rebolledo Coy2 y David Arnulfo Rojas Gualdron2) El prototipo está constituido por un micro controlador, cuatro sensores y dos motores, todos adecuadamente acoplados a un chasis de acrílico. El prototipo debe seguir un recorrido demarcado por una línea negra que está demarcada en una pista blanca. Dicha pista debe contener curvas cuyo radio supere los 30 cm y una línea de partida la cual debe ser perpendicular a la línea a seguir. La investigación científica es una metodología la cual se desarrolla mediante una serie de etapas, en donde se va a relacionar unas con otras y que no podrán ser omitidas en su orden, ya que, de ser así, el resultado de la investigación será errónea. Para comenzar se debe tener en cuenta varios aspectos entre los cuales se encuentran, el resolver un problema mediante una justificación válida a través de unos objetivos que deberán cumplirse en su debido y correcto orden para no alterar la investigación en curso. La propuesta se redacta en tiempo futuro, ya que esta describe lo que el investigador realizará, la cual debe estar correctamente fundamentada y justificada. El uso de montacargas en grandes empresas multinacionales y áreas laborales de espacios reducidos ha despertado un gran interés en lo que se debe a seguridad y agilización en la manipulación de los productos que a diario ingresan y salen de estas compañías, ya que la clasificación de elementos en bodegas ha tenido mucha dificultad por problemas con el operador o bien la falta de logística en la empresa, por lo que las multinacionales han comenzado a buscar alternativas que les permitan desarrollar distintas labores, con mayor rapidez y aquí es donde entra la robótica industrial móvil en el caso de este proyecto.
2
Margarita Alejandra Rebolledo Coy, David Arnulfo Rojas Gualdron. Seguidor de línea OHMIUS. [En línea]. Disponible en internet. [Citado el 06 de mayo del 2016].
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En varios países se han desarrollado robots prototipos de montacargas autónomos, pero presentan ciertos problemas como los frenos no actúan a tiempo y al realizar una orden se equivocan, algunos ejemplos de ello se pueden ver en la página de YouTube, los cuales son: 1. “Prototipo Montacargas, Robot PIC3”, Este prototipo su estructura es muy robusta y ejecuta las ordenes de manera muy brusca en las pistas igualmente.
2. “Montacargas LEGO 4 ”, que también fue hecho en el instituto tecnológico superior zacateca del norte; este prototipo presenta inconvenientes a la hora de ejecutar una orden programada y genera inseguridad.
3. “Forklift-bot Robot Montacarga con Arduino 5 ”, que fue construido para la competencia UTFSM 2011; este prototipo uno de los inconvenientes que presenta es que no posee buenos frenos cuando va a recoger un objeto.
3
YouTube.com. Robot PIC. [En línea]. Disponible en internet < https://www.youtube.com/watch?v=sHPVHpQZkIk>. [Citado el 27 de mayo del 2016]. 4 YouTube.com. Montacargas LEGO. [En línea]. Disponible en internet < https://www.youtube.com/watch?v=8Qq9doVfjpg>. [Citado el 27 de mayo del 2016]. 5 YouTube.com. Forklift-bot. [En línea]. Disponible en internet < https://www.youtube.com/watch?v=ayjEaewfK78>. [Citado el 27 de mayo del 2016].
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5.1.3 Robot prototipo recolector seguidor de Línea. De acuerdo con lo investigado sobre los seguidores de línea y el montacargas, se construirá un robot que contenga los dos mecanismos de una forma que dicho robot optara por realizar las tareas de un montacargas y se ayudara a desplazarse por medio de las líneas negras que se encuentran en la bodega, que son las pistas de guía del robot. Este robot prototipo será diseñado con medidas de 45 cm de alto y 30 cm de ancho y 55 cm de largo, de acuerdo con estas medidas el robot podrá simular visualmente las tareas encargadas que tiene un montacargas operado por un usuario. A continuación se observa posible diseño del robot en la figura 3: Figura 3. Diseño temporal del Robot prototipo recolector seguidor de línea.
Fuente: Los autores.
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5.2
MARCO CONCEPTUAL
5.2.1 Robótica. El estudio, análisis y creación de robots ha facilitado la calidad de vida en los seres humanos, sustituyendo en gran parte muchas de las actividades que hoy en día son peligrosas, las cuales, a veces conllevan a accidentes laborales en los que las personas involucradas pueden llegar a quedar discapacitadas de por vida en ambientes laborales de alto riesgo. En el término robot confluyen las imágenes de máquinas para la realización de trabajos productivos y de imitación de movimientos y comportamientos de seres vivos. Los robots actuales son obras de ingeniería y como tales concebidas para producir bienes y servicios o explotar recursos naturales. Desde esta perspectiva son máquinas con las que se continúa una actividad que parte de los propios orígenes de la humanidad, y que desde el comienzo de la Edad Moderna se fundamenta esencialmente en conocimientos científicos. En nuestro siglo el desarrollo de máquinas ha estado fuertemente influido por el progreso tecnológico. De esta forma se pasa de máquinas que tienen como objetivo exclusivo la amplificación de la potencia muscular del hombre, sustituyéndolo en su trabajo físico, a maquinas o instrumentos que son también capaces de procesar información, complementando, o incluso sustituyendo, al hombre en algunas actividades intelectuales. Por otra parte, también desde la antigüedad, el hombre ha sentido fascinación por las máquinas que imitan la figura y los movimientos de seres animados. Existe una larga tradición de autómatas desde el mundo griego hasta nuestro siglo, pasando por los autómatas de los artesanos franceses y suizos del siglo XVIII, que ya incorporaban interesantes dispositivos mecánicos para el control automático de movimientos6.
6
OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica; manipuladores y robots móviles [en línea]. 1ª ed. [Barcelona, España]: S.A. MARCOMBO, 2001. [Citado el 15 de abril del 2016]. Capítulo 1. Robótica. Página 1.Disponible en internet .
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5.2.2 Actuadores. En robótica los actuadores son los encargados de generar el movimiento de los diferentes mecanismos o elementos que conforman el robot. Los actuadores eléctricos se utilizan principalmente en robots que no demanden altas velocidades ni potencia. Son usados en aplicaciones que requieran de exactitud y repetitividad. Los motores eléctricos más utilizados en robótica son los motores de corriente continua y los motores de paso a paso. Los actuadores hidráulicos se utilizan en robots de gran tamaño que requieran mayor velocidad para la ejecución de tareas y una mayor resistencia mecánica para la manipulación de cargas pesadas. Los actuadores neumáticos son usados en aquellas aplicaciones que requieran solo dos estados, por ejemplo en la apertura y el cierre de la pinza de un manipulador7.
2.2.2.1 Motores DC. Un motor DC es aquel que se encuentra compuesto por un rotor y un estator, por lo general en motores pequeños el estator se compone de una serie de imanes cuya función es la de generar un campo magnético en una dirección fija. 5.2.2.2 Motores paso a paso. “En estos motores, la señal de control son trenes de impulsos que van actuando rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos en el extractor, por cada pulso recibido, el rotor del motor gira un determinado número discreto de grados, para realizar este movimiento es necesario que las bobinas del estator deben ser excitadas a una frecuencia que determina la velocidad de giro”8.
Un ejemplo muy claro de lo que puede llegar a ser un motor paso a paso es un servomotor, el cual mediante pulsos o señales codificadas puede cambiar su estado de reposo por un estado activo cambiando así su posición angular a una específica dependiendo del pulso entregado. Es por esto que se ha optado por usar motorreductores DC de alto torque, esto es debido a que cada robot tendrá que cargar productos y a la vez movilizarlos desde los estantes hasta el operador y viceversa, y son maniobras en las que se tendrá que tener la mayor precisión y eficacia posible, de otro modo los robots se tendrían que esforzar demasiado para moverse y para cargar productos haciendo que su accionar sea ineficaz para lo que se desea.
7
BRAVO, Ángela. Robótica, al descubierto [en línea]. Disponible en internet . [Citado el 18 de abril del 2016]. 8
BADILLO, Raúl Andrés. Actuadores [en línea]. Disponible en internet . [Citado el 18 de abril del 2016].
34
5.2.3 Sensores. Un sensor es un elemento físico cuya función es la de medir una variable y enviarla por su salida a un micro controlador el cual se encarga de leer y analizar esta señal para luego procesarla y recoger los datos necesarios, cada sensor es distinto, por lo tanto cada uno se diseña para distintas aplicaciones como: • • • • • • •
Distancia u ópticos Temperatura Nivel Flujo Magnéticos Gas Vibración
Un dispositivo sensorial es un componente esencial en cualquier estructura robótica puesto que de ellos dependen tanto el robot como el operador (si en ese caso es controlado por una persona) este enviará su información ya sea vía serial (alámbricamente) o inalámbricamente. Estos elementos han evolucionado con el pasar de los años debido al impresionante avance tecnológico que hoy día se da y por la importancia que deben tener en cada proyecto que se lleva a cabo en el mundo, por eso se les exige una serie de características: •
• • •
Exactitud: Aquí los errores deben tender a cero y debe medir el valor verdadero de la variable sin ningún tipo de error, esto supone que es la desviación máxima del valor que se mide (sensor) respecto a un punto de comparación (ideal). Precisión: Más preciso es si los posibles errores a la hora de medir son menores, esto sugiere una tolerancia mínima de medida para poder así correctamente indicar, registrar o controlar el sensor. Rango de funcionamiento: Esto indica que un sensor debe ser capaz de realizar mediciones dentro de un rango amplio de valores de la variable a medir de forma que su error sea mínimo. Velocidad de respuesta: Un dispositivo sensorial es más eficaz si realiza mediciones en tiempo real, es decir, que deberá responder ante el más mínimo cambio en la variable física.
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5.2.3.1 Sensores de infrarrojos y distancia. Son sensores que se utilizan para medir distancias o detección de líneas, estas distancias varían respecto a la aplicación, es decir, para largas distancias se usan dispositivos con un amplio rango de medición respecto a los seguidores de línea cuyo rango de medición es muy pequeño puesto que se encuentran casi a ras del suelo. Su funcionamiento se basa en un emisor y un receptor los cuales constantemente están enviando y recibiendo información la cual es enviada a un procesador que se encarga de analizar dicha señal y posteriormente realizar una acción. Para este proyecto se analizaron una serie de distintos sensores, y posteriormente se escogió una serie de sensores infrarrojos que son los más usados para seguidores de línea entre ellos están: Figura 4. CNY70.
Fuente: [21].
✓ CNY70. Este es un sensor de corto alcance cuyo funcionamiento se basa en un emisor de luz y en un receptor, ambos ubicados de tal forma que apunten hacia la misma dirección, además constan de cuatro pines los cuales son el ánodo y cátodo en el emisor, y el colector y emisor del receptor, con una longitud de onda equivalente a 950nm, distancia de sensado de 5mm.
36
Figura 5. QRD1114.
Fuente: [22].
✓ QRD1114. Es un sensor óptico reflectivo igualmente usado para seguidores de línea, es una actualización del CNY70, el cual posee un mejor desempeño al momento del sensado, y permitiendo sensar a mayor distancia 6mm, con una longitud de onda de 940nm. Figura 6. TCRT5000L.
Fuente: [23].
✓ TCRT5000L. Este elemento sensorial es un dispositivo de medición muy robusto, que tiene una distancia de sensado de 12mm, una longitud de onda de 950nm, compuesto de un comparador de voltaje y un trimmer para poder ajustarle su sensibilidad de detección.
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✓ ULTRASÓNICO HC-SR04. El HC-SR04 es un sensor de distancias por ultrasonidos capaz de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de 2 a 450 cm. El sensor funciona por ultrasonidos y contiene toda la electrónica encargada de hacer la medición. Su uso es tan sencillo como enviar el pulso de arranque y medir la anchura del pulso de retorno. De muy pequeño tamaño, el HC-SR04 se destaca por su bajo consumo, gran precisión y bajo precio9.
El HC-SR04 es un sensor ultrasónico de bajo costo que no sólo puede detectar si un objeto se presenta, como un sensor PIR (Passive Infrared Sensor), sino que también puede sentir y transmitir la distancia al objeto. Tienen dos transductores, básicamente, un altavoz y un micrófono. Ofrece una excelente detección sin contacto (remoto) con elevada precisión y lecturas estables en un formato fácil de usar. El funcionamiento no se ve afectado por la luz solar o el material negro como telémetros ópticos (aunque acústicamente materiales suaves como telas pueden ser difíciles de detectar). La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 °C) es de 343 m/s. (por cada grado centígrado que sube la temperatura, la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s)10.
9
ELECTRONILAB, Sensor de Distancia de Ultrasonido HC-SR04 [En línea]. Disponible en internet [Citado el 24 de mayo del 2016]. 10 SORIA, Kevin, Todo lo que tienes que saber sobre: HC-SR04 Sensor Ultrasónico [En línea]. Disponible en internet . [Citado el 24 de mayo del 2016].
38
✓
SHARP. Los sensores de distancia de Sharp son una opción popular para muchos proyectos que requieren mediciones precisas de distancia. Este sensor IR es más económico que los telémetros de sonar, sin embargo, proporciona un rendimiento mucho mejor que otras alternativas IR. Interfaz con la mayoría de los micros controladores es sencillo: la salida analógica solo puede ser conectado a un convertidor de analógico a digital para la toma de mediciones de distancia, o la salida puede estar conectada a un comparador para la detección de umbral. El rango de detección de esta versión es de aproximadamente 10 cm a 80 cm (4 "a 32")11.
11
POLOLU CORPORATION, Sharp, sensor de distancia analógica [En Línea]. Disponible en internet https://www.pololu.com/product/136. [Citado el 25 de mayo del 2016].
39
5.2.4 Comunicación. La comunicación es un proceso natural de intercambio de información en donde se tienen dos terminales, una emisora y otra receptora, este proceso lleva muchísimos años de evolución, empezando hace millones de años atrás cuando los primeros seres humanos comenzaron a existir, estos buscaron la manera de transmitirse información los unos a los otros y así fue como mediante señas y sonidos no tan claros lograron entenderse. En la robótica cumple un papel muy importante, y es el que a través de ella se puede controlar, monitorear, y recibir información que provee un robot en un determinado momento e incluso en distancias largas, por lo que ha llevado a crear nuevas tecnologías que permitan a los robots transmitir datos en tiempo real sin la necesidad de que estos estén cerca del operador. Se habla de comunicación serial, guiada o alámbricamente a aquel que requiere de un cable para poder enviar y recibir información y cuando se habla de no guiado o inalámbricamente es porque no se necesita de ningún medio físico para realizar la acción de comunicarse. En este proyecto al ser seguidores de línea no se requieren de medios guiados para que el robot cumpla con las órdenes transmitidas a través de tecnologías que permitan captar los datos enviados, y para ello se analizaron las siguientes: 5.2.4.1
XBee. De acuerdo a Digi, los módulos XBee son soluciones integradas que brindan un medio inalámbrico para la interconexión y comunicación entre dispositivos. Estos módulos utilizan el protocolo de red llamado IEEE 802.15.4 para crear redes fast point-tomultipoint (punto a multipunto); o para redes peer-to-peer (punto a punto). Fueron diseñados para aplicaciones que requieren de un alto tráfico de datos, baja latencia y una sincronización de comunicación predecible. En términos simples, los XBee son módulos inalámbricos fáciles de usar12.
Estos pequeños pero eficientes módulos basan su comunicación en el protocolo ZigBee el cual es un lenguaje inalámbrico en donde muchos dispositivos de uso diario logran comunicarse entre sí en la banda libre de 2.4Ghz.
12
Xbee.cl. ¿QUÉ ES XBEE? [En línea]. Disponible en internet < http://xbee.cl/que-es-xbee/ >. [Citado el 22 de abril].
40
TABLA 1. Comparación entre algunos módulos XBee.
Fuente: [24].
5.2.4.2
Bluetooth. Creado en 1994, Bluetooth ®, esta tecnología fue concebida como una alternativa inalámbrica para cables de datos mediante el intercambio de datos a través de las transmisiones de radio. El nombre de Bluetooth vino de una décima parte del siglo rey danés, Harald Blåtand o, en Inglés, Harold Bluetooth. Según la historia, el rey Blåtand ayudó a unir las facciones enfrentadas en partes de lo que hoy son Noruega, Suecia y Dinamarca. Del mismo modo, la tecnología Bluetooth fue creado como un estándar abierto para permitir la conectividad y la colaboración entre los productos y las industrias dispares. Bluetooth es un estándar global de comunicación inalámbrica que conecta dispositivos entre sí a través de una cierta distancia13. Es por esto que resulta muy útil a la hora de interconectar dispositivos electrónicos entre sí. Es por esto que se ha optado por usar la tecnología bluetooth, ya que es una herramienta en la cual se ha trabajado a lo largo de la carrera permitiendo así que sea muy familiar y a la hora de programar facilitar las cosas, implementando un óptimo rendimiento en cuanto a comunicación entre hombre y máquina la cual debe ser muy estable para que nunca falle en esa fase tan importante que es el envío y recepción de órdenes.
13
Bluetooth. ¿Qué es la tecnología bluetooth? [En línea]. Disponible en internet < https://www.bluetooth.com/what-is-bluetooth-technology>. [Citado el 22 de abril].
41
5.2.5 Micro controlador. El micro controlador es un circuito integrado digital, utilizado para múltiples tareas. Este es capaz de grabar y ejecutar programaciones hechas por el usuario, previamente realizadas desde un computador y en su software específico para poder programarlo. En la electrónica es de gran ayuda, porque facilita muchos procesos analógicos pero con este micro controlador se puede manejar todo digitalizado y automatizado de una forma más sencilla. En este proyecto se usarán micro controladores para controlar los robots recolectores seguidores de línea y poder darles órdenes, de acuerdo a esto se puede apreciar este micro controlador como utilitario:
5.2.5.1 Arduino. A través de los años Arduino ha sido el motor en muchas aplicaciones y proyectos, esta herramienta impulsa a estudiantes a operar parte de la electrónica de una manera más fácil y precisa. Por su manejo de código abierto, es fácil de trabajar en estudiantes como en expertos.
Figura 7. ARDUINO MEGA 2560.
Fuente: [25].
Cuando se habla de arduino, es necesario tener en cuenta que este se haya constituido por tres elementos fundamentales y que todos ellos se denominan bajo el mismo nombre (arduino), estos componentes son:
• • •
El hardware o placas de arduino El entorno de programación o IDE El lenguaje de programación.
42
En general estos componentes fueron creados con la finalidad de tener una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear entornos u objetos interactivos14. Arduino nació en el Instituto de Diseño de Interacción Ivrea como una herramienta fácil para el prototipo rápido, dirigido a estudiantes sin experiencia en electrónica y programación. Tan pronto como llegó a una comunidad más amplia, la placa Arduino comenzó a cambiar para adaptarse a las nuevas necesidades y retos, la diferenciación de su oferta desde simples tablas de 8 bits a los productos de la IO aplicaciones, la impresión 3D portátil y sistemas empotrados. Todas las placas Arduino son completamente de código abierto, permitiendo a los usuarios crear de forma independiente y, finalmente, adaptarlos a sus necesidades particulares. El software también es de código abierto, y está creciendo a través de las contribuciones de los usuarios en todo el mundo15.
En este proyecto, Arduino será la plataforma que permita controlar y procesar las señales que el prototipo envíe a través de sus sensores para que un operador pueda visualizar y determinar con una orden qué hacer, puesto que es una herramienta muy simple y agradable en la medida que mejora y simplifica cualquier proceder al trabajar con micro controladores y además de que puede ser usada por ingenieros, docentes, estudiantes e incluso aficionados gracias a su amplio rango de proyectos que hoy día existen, con librerías que incluyen ejemplos para poder entender un poco de lo que Arduino es y de lo que se puede llegar a hacer con esta herramienta de trabajo, haciendo desde proyectos tan simples como encender y apagar un LED hasta ejercicios más complejos en donde se requiera un poco más de conocimiento y facultades óptimas para su realización. Arduino es un software muy grande y versátil en donde se puede acoplar dispositivos o circuitos análogos y digitales incluso, ambos a la vez con sus respectivos acoplamientos que permita trabajar sin dañar la tarjeta, basada en los micros controladores Atmel ATmega8 y ATmega168 cuyos planos libres en internet son para todo aquel que quisiera construir su propia tarjeta Arduino.
14
PROFEYONY. Arduino [En línea]. Disponible en internet . [Citado el 12 de mayo del 2016]. 15 ARDUINO, ¿Qué es arduino? [En línea]. Disponible en internet < https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction#>. [Citado el 12 de mayo del 2016].
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5.2.6 Interfaz gráfica. Con la idea de simplificar el uso de los ordenadores para usuarios de todo tipo y no sólo para los expertos, se ha convertido en una práctica habitual utilizar metáforas visuales por medio de la llamada interfaz gráfica de usuario (IGU ó GUI en inglés) para que el usuario interactúe y establezca un contacto más fácil e intuitivo con el ordenador. Si, como afirma Neal Stephenson: "en el principio fue la línea de comandos..." tal como los hackers siguen hoy reivindicando no sólo con nostalgia, sino también como una forma de tener control real sobre las máquinas, en la actualidad prima la cultura de la interfaz "amigable" y vistosa. En estos casos, un simple clic de ratón sobre algún gráfico (imagen) que aparece en la pantalla, sustituye a la tediosa tarea de escribir código fuente para que el ordenador interprete que debe realizar alguna acción. En 1981 aparecieron los primeros ordenadores personales, los llamados Pcs, pero hasta 1993 no se generalizaron las interfaces gráficas de usuario. El escritorio del sistema operativo Windows de Microsoft y su sistema de ventanas sobre la pantalla se ha estandarizado y universalizado, pero fueron los ordenadores Macintosh de la compañía Apple los primeros que introdujeron las interfaces gráficas de usuario16.
Las características básicas de una buena interfaz podrían sintetizarse en: • • • • •
• • •
Facilidad de comprensión, aprendizaje y uso Representación fija y permanente de un determinado contexto de acción (fondo) El objeto de interés ha de ser de fácil identificación Diseño ergonómico mediante el establecimiento de menús, barras de acciones e iconos de fácil acceso Las interacciones se basarán en acciones físicas sobre elementos de código visual o auditivo (iconos, botones, imágenes, mensajes de texto o sonoros, barras de desplazamiento y navegación...) y en selecciones de tipo menú con sintaxis y órdenes Las operaciones serán rápidas, incrementales y reversibles, con efectos inmediatos Existencia de herramientas de Ayuda y Consulta Tratamiento del error bien cuidado y adecuado al nivel de usuario16.
16
LAMARCA LAPUENTE, María Jesús, Hipertexto, el nuevo concepto de documento en la cultura de la imagen [En línea]. Disponible en internet. . [Citado el 24 de abril del 2016].
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5.2.6.1
Labview. LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un lenguaje de programación gráfico para el diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control. Labview permite diseñar interfaces de usuario mediante una consola interactivo basado en software. Usted puede diseñar especificando su sistema funcional, su diagrama de bloques o una notación de diseño de ingeniería. Labview es a la vez compatible con herramientas de desarrollo similares y puede trabajar con programas de otra área de Aplicación, como por ejemplo Matlab. Tiene la ventaja de que permite una fácil integración con hardware, específicamente con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de datos (incluyendo adquisición de imágenes)17. Como ya se ha mencionado anteriormente, Labview es una herramienta muy amplia por lo que permite crear interfaces gráficas agradables para el usuario y que es compatible con Arduino. En este proyecto la interfaz se usará para poder manipular los robots desde una computadora inalámbricamente y desde allí observar lo que los robots hacen en las bodegas. 5.2.6.2
Visual studio. Visual Studio es un conjunto completo de herramientas de
desarrollo para la generación de aplicaciones web ASP.NET, Servicios Web XML, aplicaciones de escritorio y aplicaciones móviles. Visual Basic, Visual C# y Visual C++ utilizan todos el mismo entorno de desarrollo integrado (IDE), que habilita el uso compartido de herramientas y hace más sencilla la creación de soluciones en varios lenguajes. Asimismo, dichos lenguajes utilizan las funciones de .NET Framework, las cuales ofrecen acceso a tecnologías clave para simplificar el desarrollo de aplicaciones web ASP y Servicios Web XML18.
Visual Studio será la plataforma de trabajo por su sencillez en programación a objetos y fácil conexión a micro controladores como es arduino. Esta plataforma de diseño permitirá crear el mecanismo de control por software de los robots recolectores.
17
TUTOELECTRO, Conociendo a Labview [En Línea]. Disponible en internet [Citado el 26 de mayo del 2016]. 18 MICROSOFT, Introducción a visual studio [En línea]. Disponible en internet [Citado el 26 de mayo del 2016].
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Es un programa relativamente más a orientado a objetos. Este programa es una herramienta totalmente poderosa que facilita la creación de aplicaciones de modo sencillo y eficaz. Su complejidad de datos y procesamiento de información lo hace una de las herramientas más utilizadas en estos días. ✓ Característica vb.net 2013 ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖
Se puede crear aplicaciones web. Permiten la integración de varios lenguajes de programación. Manejo de errores. Es una herramienta rápida. Interfaz amigable. Capacidad de procesamiento muy eficiente.
5.2.6.3 Sistema de información de base de datos ✓ ¿Qué es un Sistema de BD? Es un conjunto de datos que se pueden almacenar y organizar de manera ordenada, este sistema digital es el remplazo de libros contables o notas en papel ya que su complejidad y seguridad de la información lo posiciona como la mejor opción a la hora de trabajar grandes cantidades de datos. Algunas de las ventajas de una base de datos son: • • • • • •
Organización de la información a gran escala. Prevenir la redundancia de los datos. Evitar la inconsistencia de los datos. Hacer cumplir las normas de una base de datos a la hora de inserción, modificación o eliminación de datos. Seguridad para el acceso a los datos. Mantiene la integridad entre los datos.
✓ Componente de una Base de Datos. Componentes del sistema de una base de datos: • • • • •
La información suministrada. El equipo donde se maneja la base de datos. Los usuarios quienes alimentan la base de datos. Los programas que se utilizan para alimentar la base de datos. Las tablas que conforman la base de datos.
46
•
Las relaciones que se aplican en una base de datos.
La información suministrada: En general, es toda la información que se maneja en conjunto o de forma independiente. El equipo donde se maneja: Dado que es un sistema digital no tangible se necesita de un medio, en este caso un equipo que procese la información antes de ingresarla a la base de datos de forma eficaz. Los usuarios quienes alimentan la base de datos: Estos usuarios son los que alimentan la base de datos dándole una finalidad, dicho proceso que desempeña el usuario son modificar, insertar, eliminar y consultar información en la base de datos. Programas que se utilizan para alimentar la base de datos: Estos programas son creados con el fin de alimentar la base de datos, utilizados por los usuarios que son los que ingresan la información. La Tabla: Se refiere a los modelos de datos, que se organizan para visualizar la información de una manera ordenada y discriminada. Las tablas se componen por dos estructuras: •
Registro: Cada una de las filas que se divide en tablas contienen datos de todos los registros.
•
Campo: Cada una de las columnas que constituyen las tablas, contienen datos de tipos de diferente a los de otros campos.
•
Las relaciones que se aplican en una base de datos: Es una base de datos que cumple con el modelo relacional, el cual es el modelo más utilizado en la actualidad y que permite establecer interconexiones (relaciones) entre los datos (que están guardados en tablas).
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✓ El Método de Administración de una Base de datos. El Aplicativo que se diseña para administrar la base de datos es manipulado por los usuarios pertinentes (administradores), de esto, se puede destacar las tareas de dichos usuarios en los manejos de todas las solicitudes de acceso a la base de datos formulados como: • • • •
Seguridad de la información. Integridad de los datos. Sincronización y actualización de los datos. Protección y recuperación de la información suministrada por el usuario.
Seguridad de la información: Tener protección con accesos no permitidos por usuarios no autorizados. Integridad de los datos: Solo los administradores o personas que hayan sido autorizadas por estos. Sincronización y actualización de los datos: Son mecanismos que permiten varios tipos de programas que se sincronicen para definir una base de datos y tener datos actualizados y precisos. Protección y recuperación de la información suministrada por el usuario: Son métodos que pueden generar copias de la base de datos, guardando un respaldo, para no perder la información por motivos de daños en el software o hardware que perjudique dicha base de datos. ✓ El Modelo Relacional de la base de datos
Es basado en la teoría de las relaciones, donde se puede expresar o mostrar gráficamente en tablas organizadas con el objetivo mantener la estructura lógica. El modelo relacional como todo modelo de datos está compuesto por tres aspectos: • • •
Estructura de datos Integridad de datos Manejo de datos
5.2.6.4 Herramienta para almacenar datos.
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✓ ¿Qué es Microsoft Access? Es una herramienta que permite administrar datos para crear aplicaciones informáticas basada en las bases de datos relacionales, la cual proporciona una serie de ventajas: • • • • ✓ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢
Permite la creación de tablas para almacenar y manipular información Define relaciones entre tablas Permite consulta a múltiples tablas Verifica la integridad de información Características Access Permite diseños de consultas Es gráfico Se puede modificar datos que existen en la base de datos Facilita la administración de datos Produce formularios e informes sofisticados y sencillos Crea ficheros con base de datos Permite eliminar información Permite organizar y ver los datos de distintas formas Permite la creación de relaciones entre tablas Permite manipular datos en forma de tablas Permite crear consultas, formularios y reportes Se puede compartir los datos con otros usuarios mediante informes o mensajes de correo electrónico.
5.2.6.5 Ingeniería de software. Es una disciplina o área de la Informática o Ciencias de la Computación, que ofrece métodos y técnicas para desarrollar y mantener software de calidad que resuelven problemas de todo tipo. Hoy en día es cada vez más frecuente la consideración de la Ingeniería de Software como una nueva área de la Ingeniería, y el Ingeniero de Software comienza a ser una profesión implantada en el medio laboral internacional, con derechos, deberes y responsabilidades que cumplir, junto a una, ya, reconocida consideración social en el mundo empresarial y, por suerte, para esas personas con brillante futuro.
✓ MODELO DE CICLO DE VIDA
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✓ Modelo en Cascada. El modelo de cascada es una serie de pasos secuenciales que ordena rigurosamente las etapas del ciclo de vida del software: • • • • • •
Análisis de requerimientos Diseño del sistema Codificación La prueba Implementación Mantenimiento
Con este modelo se puede llevar a cabo un seguimiento de todas las fases del proyecto complementado con todas las etapas importantes de las necesidades del usuario. Figura 8. Modelo de cascada.
FUENTE: Los autores.
50
Con este modelo se hace un seguimiento apropiado a cada una de las fases del software tanto de costo como de la fecha de entrega, comprobando al final de cada etapa y que cumpla con todas las necesidades requeridas por el usuario. Entre ellas se destacan las siguientes ventajas que se presentan durante desarrollo del software. Ventajas • • •
Su planificación es sencilla. La calidad del software resultante es alta. Permite trabajar con un personal no calificado.
✓ TÉCNICAS DE RESPALDO Y SEGURIDAD: ✓ Copia de seguridad (Backups). Es un respaldo de la base de datos original en donde se tendrá una copia de la BD (base de datos) y restablecerla en caso de que se llegara a dañar la base de datos principal. ✓ TIPOS DE RESPALDO: ✓ Respaldo completo ("full"). Se hace una copia completa y exacta de la base de datos original. ✓ Respaldo individual (una parte de la base de datos). Se realiza una copia de un fragmento de la base de datos, como por ejemplo una tabla específica que sólo necesite el usuario para guardar esa información.
✓ Ventajas y desventajas de los tipos de respaldo
Ventajas: • Tendrá una copia de la base de datos con que respaldarla realizada previamente. Desventajas: • Se puede dañar la copia de seguridad por un virus malicioso o una persona externa que la elimine.
51
6
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
Mediante el desarrollo del proyecto, se busca solucionar el problema planteado, para lo cual se han propuesto la siguiente metodología por etapas:
Etapa 1 (Búsqueda de información) Estudio y recopilación de información, para la implementación de robots seguidores de línea, para poder crear el modelo ideal de nuestros robots. Etapa 2 (Diseño de Prototipos) Con base al estudio de robots seguidores de línea, se diseñara prototipos de robots seguidores de línea estilo montacargas. Etapa 3 (Programación en Arduino) Por medio del micro controlador Arduino estudiado y manipulado, Se programaran los robots seguidores de líneas para que cumplan el requerimiento de recolectar y organizar. Etapa 4 (Diseño de la interfaz en Visual Studio) Diseñar una interfaz amigable y entendible para el usuario, para poder controlar los robots seguidores de línea montacargas. Esta interfaz llevará como objetivo enviar órdenes como: 1. Mandar una orden al robot, de las lista de productos seleccionados por el usuario Para que dicho robot se los traiga. 2. Poder visualizar los estados de los robots, si están en funcionamiento o están espera de una orden. 3. Enviar una orden al robot, de los productos otorgados al robot del usuario Para que dicho robot se los inventare e y organicé. 4. Permitir cancelar órdenes anteriormente propuestas por el usuario. Etapa 5 (Pruebas y error de los robots prototipos) Se elabora unas series de pruebas intensivas a los robots seguidores de líneas, enviando órdenes, para poder determinar el funcionamiento correcto del robot y su eficacia.
52
Etapa 6 (Pruebas y error de la interfaz o programa de manipulación de los robots) Se ejecutaran la cantidad posible de pruebas y monitoreo a la interfaz operadora de los robots seguidores de línea, para que garantice la efectividad de dichos robot al momento de ejecutar las ordenes propuestas por el usuario.
Etapa 7 (Documento Final) Elaborar un documento que contenga los conceptos necesarios y el procedimiento adecuado para llevar a cabo la construcción, monitoreo y control robots seguidor de línea montacargas.
53
7
7.1
ETAPA DE SENSORES Y ACTUADORES
DISEÑO ELECTRÓNICO DE SENSORES Y ACTUADORES
Sensores
Tabla 2. Características de los sensores infrarrojos. Distanc Voltaje Voltaj Disipaci Corrient Rango ia colecto e ón de la e de máxima remisor potencia avanza tempera de emisor (mW) da (mA) tura de sensad (V) colect funciona miento o (mm) or (V) (°C)
Corrient e en el colector (mA)
CNY70
0-5
32
7
100
50
(-40)-85
50
QRD1114
0-6
30
5
100
50
(-40)-85
45
TCRT500 0L
0.2-15
70
5
100
60
(-25)-85
100
Fuente: Los autores. Después de haber tomado alguna de las características que más se destacan en los sensores infrarrojos y realizar una tabla comparativa, ver tabla 2, se optó que el sensor que mejor se ajustaba a las necesidades de este proyecto es el TCRT5000L. Figura 9. Gráficas de comparación.
Fuente: Los autores.
54
55
En la figura 9 se observan unas gráficas comparativas de la corriente avanzada en cada uno de los sensores en su orden de izquierda a derecha: TCRT5000L, CNY70, QRD1114. 7.1.1 Sensor infrarrojo TCRT5000L. Se escogió este sensor ya que la estructura del robot en su base es relativamente alta respecto al suelo y se necesitaba un sensor que se pudiera ajustar a las necesidades, con una distancia máxima de sensado de 12mm es una ventaja muy importante que el TCRT5000L tiene y que por la cual se inclina más a su favor, además de los consumos de corriente de cada sensor el cual es pequeño en los tres, el TCRT5000L tiene más ventajas y es que posee un trimmer con el cual se le puede ajustar la sensibilidad de sensado, cuenta con un filtro especial para bloquear la luz diurna y otro para la luz nocturna y además tienen una gran versatilidad ya que es un sensor que se puede programar según las necesidades, esto indica que por ser análogo y digital ahorra tiempos de desconexión y conexión de los pines y no todos los sensores en el mercado trabajan de la misma manera, simplemente hay que habilitar el pin deseado y así ajustarlo a las necesidades de cada quién.
El TCRT5000L tiene una estructura compacta en donde la fuente que emite el haz de luz y el detector de éste se encuentran en total sincronía y alineación para diferenciar los contrastes mediante el uso de rayos infrarrojos de reflexión. Su longitud de onda es de 950 nanómetros (nm), un aspecto muy importante es que la cantidad de luz recibida depende del color y la reflectividad de la línea, y con un trimmer ajustable es el sensor ideal para aquellos cambios de luz que pueda tener las bodegas de almacenamientos en donde van a operar estos dispositivos. Dentro de sus características se encuentran: Tipo de detector: Fototransistor, combinan en un mismo dispositivo la detección de luz y ganancia, la superficie superior es expuesta a la luz a través de una ventana transparente para que ésta (luz) ingrese hasta las junturas de la pastilla semiconductora y produzca ese efecto fotoeléctrico. Tipo de emisor: Compuesto por un LED emisor de luz infrarroja Precio: Es un sensor gama media con un precio de compra bastante asequible. Funcionamiento: Es un sensor que puede funcionar tanto análogo como digital, lo cual se le considera bastante versátil y útil para proyectos que involucren seguir una línea.
56
Figura 10. Visualización del funcionamiento del emisor y receptor.
FUENTE: [26].
En la figura 10 se puede observar la vista superior, la ubicación del fototransistor y el emisor. 7.1.1.1 Módulo TCRT5000L. En la figura 11 se puede apreciar la vista superior e inferior del sensor a usarse, en él se pude apreciar los cuatro pines de los que está compuesto, alimentación o Vcc, tierra o GND, DO Y AO, se energiza con 5V y se puede trabajar ya sea análogo o digital, en donde en configuración digital sólo detecta un alto o bajo, en cambio en configuración análoga dará valores desde 0V hasta 5V.
Figura 11. Módulo TCRT5000L.
FUENTE: [27].
57
7.1.2 Sensor de distancia. Después de haber observado la tabla 3, en donde se encuentran las principales características de los dos sensores que inicialmente se escogieron para usarse en este proyecto, se analizó que el SHARP consume el doble de corriente que el ultrasónico por lo que es una desventaja, en cuanto al rango de medida es mejor usar el sensor con mayor rango ya que al ser las bodegas de dimensiones mayores que dos metros el SHARP no funcionaría sino puede detectar un obstáculo que se encuentre más allá de su distancia máxima de sensar y por último la velocidad de respuesta del sensado inclinó más la balanza hacia el ultrasónico, ya que, se requiere de mucha precisión en este proyecto, por lo tanto, deberá esquivar obstáculos o detectarlos y esperar órdenes, mediante este sensor se determinará la distancia a la que se encuentra la caja con los productos y así recogerla con la pinza, por esto y por otras características como costos, facilidad de adquisición se optó por trabajar con este sensor.
Sensores
Tabla 3. Características de los sensores de distancia. Consumo de Rango de Velocidad de medida de sensado (us) corriente (mA) distancia (cm)
SHARP
30
10-80
10000us
Ultrasónico
15
2-400
10us
Fuente: Los autores. Figura 12. Módulo ultrasónico.
FUENTE: [28].
Éste módulo cuenta con cuatro pines (ver figura 12), alimentación o Vcc, tierra o GND, trigger (disparo del ultrasonido) y echo (recepción del ultrasonido). Mediante uno de la pareja de cilindros en el frente envía un ultrasonido inaudible por el ser humano (alta frecuencia) y espera a que este rebote sobre algún objeto y vuelva, retorno que es captado por el otro cilindro. Posee ciertas características que lo
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hacen el sensor ideal para medir distancias las cuales serán para evadir obstáculos (el otro prototipo) o bien sea para detectar una caja y recogerla, entre esas se encuentran: • • • • • • •
Voltaje: Trabaja a 5V. Corriente: Tiene un consumo de 15mA. Frecuencia: Trabaja a una frecuencia de hasta 40 KHz. Rango Máximo: Posee un rango máximo de 4 metros. Rango mínimo: Posee un rango mínimo de 2 centímetros. Duración mínima del pulso de disparo (nivel TTL): 10 microsegundos (μS). Duración del pulso eco de salida (nivel TTL): 100-25000 μS.
Para calcular la distancia a la que se encuentra un objeto es necesario recurrir a física en dónde existe una fórmula que indica que d=v*t (distancia=velocidad tiempo), sabiendo que la velocidad del ultrasonido en el aire es de 340m/s ó bien haciendo la respectiva conversión 0.034cm/ μS. Figura 13. Diagrama de conexiones del ultrasónico al Arduino.
FUENTE: [29].
En la figura 13, se puede observar las conexiones del sensor a la placa electrónica para poder configurarlo de manera que sus lecturas sean lo más precisas posibles.
59
Figura 14. Visualización del código Arduino.
FUENTE: [Los autores].
En la figura 14 se puede observar el programa básico para la configuración del sensor de distancias, en donde se consideran las variables distancia y tiempo, se realiza la comunicación serial entre dispositivos a 9600 baudios, y se configuran dos pines, uno como salida que en este caso es el 9 y otro como entrada que en el caso es el 8. Para un mejor estabilización del sensor en el void loop se realiza la lectura iniciando en LOW (Bajo) del pin de salida y retardo de 5 μS, y luego se vuelve a hacer la misma lectura en un nivel HIGH (alto) y un retardo de 10 μS. Luego se calcula el tiempo de repuesta entre emisión y recepción, y por último se imprimen esos valores en el monitor serial para visualizar las respuestas y así poder determinar el error de medición.
60
7.1.3 Actuadores. Se escogieron dos tipos distintos de motores, uno de fuerza y otros de locomoción. Respecto al de fuerza, ver tabla 3, se optó por este por ser un motor de gran torque generando hasta 18kg*cm lo cual es necesario en este proyecto, ya que, la pinza tendrá que cargar masas dependiendo de lo que se encuentre en las cajas con los productos y pues se requiere de un motor muy poderoso para realizar dicha labor. Tabla 4. Características del motor de fuerza. Consumo Revoluciones Torque Motor de corriente (RPM) (kg*cm) (A) 18kg*cm
6
80
18
Fuente: Los autores. Respecto a los de la locomoción se escogieron motores que tuvieren un equilibrio entre fuerza y velocidad, fuerza para poder mover el robot con carga encima y velocidad para que no sean tan lentos aunque en realidad no es tan importante ya que en este proyecto prima la precisión por sobre la fuerza o la velocidad, de nada sirve tener motores veloces si los productos se caen, esto generaría grandes pérdidas y demoras por lo tanto y por sus características, ver tabla 4, se escogieron estos motores. Tabla 5. Características de los motores del movimiento. Consumo Revoluciones Torque Motor de corriente (RPM) (kg*cm) (A) 12kg*cm
6
200
12
Fuente: Los autores. Los actuadores al igual que cada uno de los componentes que en conjunto conforman cada prototipo son muy importantes debido a que estos son los que van a permitir la locomoción de los robots, guiados por los sensores, controlados por un micro controlador y toda ésta información enviada inalámbricamente por el operador. Cada robot contará con dos motores para su direccionamiento básico (adelante, atrás, izquierda y derecha) con llantas de alta tracción que se adhieran al suelo y permitir que los productos en el proceso de transporte no se caigan, ya que, podrían
61
sufrir alteraciones, el pedido se puede retrasar y por ende percibir pérdidas en vez de ganancias. Para ello se eligieron motores DC con un equilibrio entre velocidad y fuerza, la velocidad es necesaria para reducir los tiempos de espera además no debe ser muy rápido porque los productos podrían caerse y la fuerza para poder transportar todo el peso del robot sumado a las cargas que cargarán cuando estos están realizando algún pedido. En este caso son motores de 12kg*cm de torque suficiente para mover el robot en su totalidad y 200rpm velocidad suficiente para una buena locomoción. Como se ha dicho anteriormente, para que los actuadores funcionen correctamente es necesario que exista completa sincronía en cada uno de los componentes, de lo contrario, el proceso fallará. Un motorreductor es un motor DC cuya funcionalidad es la de transformar la energía eléctrica en movimiento rotacional, sus características de funcionamiento son de 12V sin polarización con aproximadamente 200rpm, y consumo de 5A de corriente, en la figura x se puede observar el motor a usarse, se escogió porque no hay problemas con su polaridad, es decir, esta puede ser directa o inversa, este cambio se realiza y se regula por un puente H o driver para control de motores, el cual será el VNH5019. Además, ya que la funcionalidad del motor es continua significa estabilidad en el chasis debido a que es constante la velocidad, además son fáciles de programar, instalar y adaptar a distintos tipos de llantas. Figura 15. Motorreductor encargado de la locomoción de cada robot.
FUENTE: [30].
Igualmente se usará un motorreductor en el sistema de carga y descarga de productos pero este será de 18kg*cm, en esta fase no se requiere tanta velocidad, es más entre más lento mejor porque habrá mayor precisión por lo tanto aquí lo más importante es el torque que pueda generar el motor para levantar, sostener y bajar los productos.
62
7.1.3.1 Etapa de control para los motores. De referencia VNH5019, es un controlador de motores de alta potencia, trabaja a voltajes desde 5,5V hasta 24V y capaz de ofrecer 12A de salida por canal, en total son dos canales los que maneja, y una máxima de hasta 30A, entre sus características más importantes se encuentran la de protección contra inversión de voltaje y que es compatible con Arduino, se escogió este driver porque suministra todo lo necesario para hacer inversión de giro o suministrarle la corriente necesaria para el óptimo funcionamiento de cada motor que consumen individualmente 5A y no existen muchos drivers que puedan suministrar esa corriente. Figura 16. Diagrama esquemático del VNH5019.
FUENTE: [31].
En la figura 16 se puede observar el diagrama esquemático del controlador de motores, que va a permitir que cada motor gire hacia adelante, atrás e invertir el giro, izquierda y derecha, esto con el fin de suministrarle la corriente necesaria para su funcionamiento.
63
8 Motor A atras --
ETAPA DE CONTROL MEDIANTE ARDUINO
Arduino D3
Motor A adelante -- Arduino D5 Motor B adelante -- Arduino D6 Motor B atras --
Arduino D9
Sensores digitales D7|D8|D4|D2 byte i;
// variable global
byte v=30; void setup() { // Decalracion de pines de entrada y salida
pinMode(12, INPUT);
// Pulsador entrada
pinMode(3, OUTPUT);
// Motor A Atras
pinMode(5, OUTPUT);
// Motor A adelante
pinMode(6, OUTPUT);
// Motor B adelante
pinMode(9, OUTPUT);
// Motor B Atras
digitalWrite(12, HIGH); // Pullup para pulsador Serial.begin(9600);
}
void loop() {
//inicio: //while (digitalRead(12)==1); programa se queda ahy
// etiqueta de inicio del programa por uso de saltos // Pulsador para inicio de ejecucion, hasta que no se pulse el
64
// while (digitalRead(12)==0); iniciar delay(100);
// una vez sea pulsado se espera a que se deje de precionar para
// retardo de 100ms se evitan rebotes
for(;;) {
Serial.print(digitalRead(7)); Serial.print("|"); Serial.print(digitalRead(8)); Serial.print("|"); Serial.print(analogRead(A0)); Serial.print("|"); Serial.print(analogRead(A1)); Serial.print("|"); Serial.print(digitalRead(4)); Serial.print("|"); Serial.println(digitalRead(2));
if (analogRead(A0)>600 && analogRead(A1)>600) los dos sensores estan en blanco adelante();
// Lectura de las señales digitales y ejecucion cuando
// Movimiento adelante
else if (analogRead(A0)>600 && analogRead(A1). [Citado el 27 de mayo del 2016]. [6]OLLERO BATURONE, Aníbal. Robótica; manipuladores y robots móviles [en línea]. 1ª ed. [Barcelona, España]: S.A. MARCOMBO, 2001. [Citado el 15 de abril del 2016]. Capítulo 1. Robótica. Página 1.Disponible en internet . [7]BRAVO, Ángela. Robótica, al descubierto [en línea]. Disponible en internet . [Citado el 18 de abril del 2016]. [8]BADILLO, Raúl Andrés. Actuadores [en línea]. Disponible en internet . [Citado el 18 de abril del 2016]. [9] ELECTRONILAB, Sensor de Distancia de Ultrasonido HC-SR04 [En línea]. Disponible en internet [Citado el 24 de mayo del 2016].
130
[10] SORIA, Kevin, Todo lo que tienes que saber sobre: HC-SR04 Sensor Ultrasónico [En línea]. Disponible en internet . [Citado el 24 de mayo del 2016]. [11] POLOLU CORPORATION, Sharp, sensor de distancia analógica [1En línea]. Disponible en internet . [Citado el 25 de mayo del 2016]. [12] Xbee.cl. ¿QUÉ ES XBEE? [En línea]. Disponible en internet < http://xbee.cl/quees-xbee/ >. [Citado el 22 de abril]. [13] Bluetooth. ¿Qué es la tecnología bluetooth? [En línea]. Disponible en internet < https://www.bluetooth.com/what-is-bluetooth-technology>. [Citado el 22 de abril]. [14] PROFEYONY. Arduino [En línea]. Disponible en internet . [Citado el 12 de mayo del 2016]. [15] ARDUINO, ¿Qué es Arduino? [En línea]. Disponible en internet < https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction#>. [Citado el 12 de mayo del 2016]. [16] LAMARCA LAPUENTE, María Jesús, Hipertexto, el nuevo concepto de documento en la cultura de la imagen [En línea]. Disponible en internet. . [Citado el 25 de mayo del 2016]. [17] TUTOELECTRO, Conociendo a Labview [En Línea]. Disponible en internet [Citado el 26 de mayo del 2016]. [18] MICROSOFT, Introducción a visual studio [En línea]. Disponible en internet [Citado el 26 de mayo del 2016]. [19] Figura 1, http://www.ecoformas.com/ES/Montacargas+y+otros/11/Pasillo+Angosto/9. [20] Figura 2, http://expoelectronica.upbbga.edu.co/pdf/pdf_2008_XII/robot_ohmius.pdf. [21] Figura 4, https://www.vistronica.com/sensores/sensor-cny70-detail.html. [22] Figura 5, https://solarbotics.com/product/qrd1114/.
131
[23] Figura 6, https://www.vistronica.com/optoelectronico/modulo-sensor-tcrt5000ldetail.html. [24] Tabla 1, http://www.digi.com/lp/xbee. [25], Figura 7, https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560. [26] Figura 10, Tomado de http://www.arduinoecia.com.br/2013/10/sensor-opticoreflexivo-tcrt5000.html. [27] Figura 11, http://zacetrex.com/producto/sensor-de-linea-tcrt5000/. [28] Figura 12, http://fritzing.org/projects/hc-sr04-project. [29] Figura 13, http://elcajondeardu.blogspot.com.co/2014/03/tutorial-sensorultrasonidos-hc-sr04.html. [30]Figura 15,http://www.dynamoelectronics.com/index.php?page=shop.product_details&flyp age=dynamo.tpl&product_id=1118&category_id=100&option=com_virtuemart&Ite mid=58. [31] Figura 16, https://www.pololu.com/file/0J740/dual-vnh5019-motor-driver-shieldschematic-diagram.pdf. [32] Figura 17, http://ftp1.digi.com/support/documentation/manual_xb_oem-rfmodules_802.15.4_v1.xAx.pdf. [33]Figura 18, http://www.andresduarte.com/wp-content/uploads/2013/06/xbee.png [34] Figura 19, http://plataformaszigbee.blogspot.com.co/2012/05/practica-1configuracion-y-conceptos.html 18-34. [35] Figura 20, http://ftp1.digi.com/support/documentation/manual_xb_oem-rfmodules_802.15.4_v1.xAx.pdf.
132
ANEXOS
ANEXO A CÓDIGO GENERADO EL CONTROL GENERAL DE LOS ROBOTS EN ARDUINO Motor A atras --
Arduino D3
Motor A adelante -- Arduino D5 Motor B adelante -- Arduino D6 Motor B atras --
Arduino D9
Sensores digitales D7|D8|D4|D2 byte i;
// variable global
byte v=30; void setup() { // Decalracion de pines de entrada y salida
pinMode(12, INPUT);
// Pulsador entrada
pinMode(3, OUTPUT);
// Motor A Atras
pinMode(5, OUTPUT);
// Motor A adelante
pinMode(6, OUTPUT);
// Motor B adelante
pinMode(9, OUTPUT);
// Motor B Atras
digitalWrite(12, HIGH); // Pullup para pulsador Serial.begin(9600);
}
void loop() {
133
//inicio:
// etiqueta de inicio del programa por uso de saltos
//while (digitalRead(12)==1); programa se queda ahy
// Pulsador para inicio de ejecucion, hasta que no se pulse el
// while (digitalRead(12)==0); iniciar
// una vez sea pulsado se espera a que se deje de precionar para
delay(100);
// retardo de 100ms se evitan rebotes
for(;;) {
Serial.print(digitalRead(7)); Serial.print("|"); Serial.print(digitalRead(8)); Serial.print("|"); Serial.print(analogRead(A0)); Serial.print("|"); Serial.print(analogRead(A1)); Serial.print("|"); Serial.print(digitalRead(4)); Serial.print("|"); Serial.println(digitalRead(2));
if (analogRead(A0)>600 && analogRead(A1)>600) los dos sensores estan en blanco adelante();
// Lectura de las señales digitales y ejecucion cuando
// Movimiento adelante
else if (analogRead(A0)>600 && analogRead(A1)
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