Introducción al diseño y construcción de microrobots móviles

Detalle del Curso

La robótica móvil es un área de la ingeniería que se caracteriza, entre otras cosas, por ser multidisciplinaria. Para construir un robot, por pequeño que sea, es necesario aplicar conocimientos de electrónica, programación y mecánica.

Este curso pretende dar una visión general de todas las áreas de conocimiento relacionadas con el diseño de pequeños robots móviles autónomos sin profundizar en ninguna pero obteniendo una visión global.

El curso está pensado con un enfoque eminentemente práctico dejando los desarrollos matemáticos complejos y las demostraciones para los cursos donde se tratan estos temas en profundidad.

En el desarrollo del curso se intentará que las clases sean participativas y se fomentará el trabajo en equipo en las diferentes actividades que se organicen.

Objetivos

Al finalizar el curso los alumnos tendrán los conocimientos necesarios para hacer un robot móvil autónomo para disfrute propio o para que pueda participar en competiciones de robots. El objetivo no es finalizar con un robot terminado sino con un proyecto de robot.

Requisitos

Debido al carácter del curso de libre configuración en la que asisten alumnos de diferentes niveles y trasfondos, los contenidos, las prácticas y actividades se adaptarán al perfil de los alumnos.

Plan de Estudio

I - Introducción

* Introducción a la robótica móvil.
* Concepto. Aplicaciones. Partes que los componen. Fotos. Vídeos.

II - Estructura y Mecánica

* El movimiento de un robot móvil: tipos de estructuras
* Plataformas de robots móviles: tracción diferencial, tracción de triciclo, tracción tipo coche, tracción holonómica.
* El movimiento de un robot móvil: cinemática y dinámica
* Ecuaciones cinemáticas del movimiento. Introducción al comportamiento dinámico. Fuerzas que intervienen en el movimiento. Generación de trayectorias. Cálculo del par que deberían realizar los motores y su velocidad de rotación.
* Mecanismos: Introducción a los mecanismos. Elementos utilizados para la transformación del movimiento. Poleas, engranajes, tornillo sin fin, levas.
* Materiales: Materiales comúnmente utilizados en la construcción de robots. Manejo de los materiales. Dónde conseguirlos. Pegamentos. Utilización de material reciclado.
* Máquinas Herramientas: Herramientas que se suelen utilizar en la construcción de robots. Taladro, sierra, fresadora, torno, selladoras, remachadoras.
* Herramientas Informáticas
Software de diseño de máquinas en 3D Catia. Software de licencia libre. Análisis de soluciones y estructuras Videos de competiciones de robots. Análisis técnicos de las soluciones adoptadas.

III - Sistemas Sensoriales

* Captación del entorno: sistemas sensoriales básicos
* Sensores de contacto: bumpers, interruptores. Sensores de distancia de ultrasonidos e infrarrojos.
· Detección de una línea negra: sensores reflexivos.
· Sensores de giro de las ruedas: encoders. Dispositivos comerciales. Fabricantes y distribuidores. Ejemplos de diseño.
* Captación del entorno: sistemas sensoriales complejos
* Sensores de color. CMUcam. Cámaras CCD. Sensores lineales. Acelerómetros. Visión artificial Conceptos básicos de reconocimiento de imágenes. Algoritmos básicos. Conexión de una cámara a un PC. Procesamiento sencillo de imágenes. Detección de la posición de un robot Posicionamiento con odometría.
· Posicionamiento con ayuda de balizas externas: balizas infrarrojas; balizas ópticas. Ejemplos de aplicación.

IV - Motores y Actuadores

* El movimiento de un robot móvil: sistema de tracción
* El motor de CC y los motores paso a paso: concepto, parámetros, curvas características. Reductoras. Encoders. Servomotores. Fabricantes y distribuidores de motores. ¿Cómo conseguir un buen motor que sea barato?.
* Otros elementos actuadores
* Fundamentos de los sistemas neumáticos. Principales actuadores neumáticos. Ejemplos de sistemas neumáticos. Fabricantes y distribuidores. Solenoides.

V - Electrónica del robot

* Electrónica de potencia
* Forma de controlar la velocidad y el par de un motor CC. Control de motores paso a paso. Puentes en H integrados y discretos. Dispositivos comerciales existentes. Disipación térmica. Interferencias. Etapa de alimentación. Baterías. Otros elementos de potencia: relés, solenoides, servomotores. Precauciones en el diseño de los circuitos.
* La electrónica de control
* El microcontrolador como controlador de bajo nivel. Familias de microcontroladores de 8, 16 y 32 bits. Herramientas de desarrollo. Subsistemas internos necesarios.
* Expansión de entrada/salida. Buses de comunicación.
* Expansión paralelo y serie. Buses I2C, SPI y CAN. RS232 y RS485. Interconexión de varios microcontroladores.
* Control de un robot con procesadores “potentes”
* PCs empotrados comerciales. Soluciones de ‘bajo’ coste. PDAs. Teléfonos móviles. DSPs, Ejemplos de aplicación.
* Comunicaciones entre robots
* Circuitos de comunicación entre robots por radio. Bluetooth. Infrarrojos. Ethernet radio.
* Cableado estructurado de un robot y montaje electrónico
* Tipos de conectores y cables. Sockets. Racks de tarjetas. Prototipado. Diseño tarjetas PCB. Software comercial (Orcad) y software libre

VI - Programación

* Herramientas de desarrollo software para sistemas empotrados
* Lenguaje C y ensamblador. Simulador. Cargador. Bootloader. Depuración. Hardware. Emuladores. JTAG.
* Diseño de aplicaciones de tiempo real
* Diseño de aplicaciones de tiempo real. Planificación. Máquinas de estados. Redes de Petri. Ejemplos prácticos.
* Algoritmos de control de bajo nivel
* Concepto de control. Control On-Off. Control PID. Control borroso. Ejemplo de control de velocidad de un motor. Ejemplo de control de velocidad de un robot.
* Algoritmos de control de alto nivel
* Generación de comportamientos reactivos. Planificación. Generación de trayectorias. Agentes inteligentes. Cooperación entre robots móviles.
* Sistemas operativos en Sistemas Empotrados
* Linux para Sistemas Empotrados. Windows CE. Sistemas operativos para microcontroladores: uCLinux, uso, Características deseables de los procesadores.
* Simulación y telemonitorización de un robot
* LabWindos como herramienta sencilla de telemonitorización. Ejemplo de simulador en LabWindos. Ejemplo de telemonitorización en Java.

VII - Gestión

* Organización y Planificación
* El proyecto de creación de un robot como proyecto de ingeniería.
* Fases del proyecto. Fases del proyecto. Hitos a conseguir. Organización interna del grupo.
* Documentación
* Tipo de documentación. Repositorio de información. CVS. Página web con resultados.
* Trabajo en equipo
* El trabajo en equipo. Ventajas del trabajo en equipo. Posibles problemas. Resolución de conflictos. Organización del equipo.