ROBOTICA: Diseño y Aplicación

Capítulo 1

Introducción a la Robótica ……………… 1

1.1 Introducción…………………………………….. 1

1.2 Historia de la Robótica ……………………. 2

1.3 Tipos de robots………………………………… 4

1.3.1 Definiciones………………………….. 5

1.3.2 Robots móviles……………………… 6

1.3.2.1 Tipos de estructura

mecánica del robot móvil… 9

1.3.3 Robots industriales ……………….. 10

1.4 Drones …………………………………………….. 12

1.4.1 Clasificación de los drones…….. 12

1.4.2 Historia ………………………………… 13

1.4.3 Ventajas y desventajas de los

drones …………………………………. 13

1.4.4 Nuevos paradigmas de

aplicación…………………………….. 13

1.4.5 Componentes de un drone ……. 14

1.5 Robots a implementar en esta obra… 15

1.5.1 Robots sin lógica adicional …….. 16

1.5.2 Robot seguidor de luz ……………. 18

1.5.3 Robot seguidor de línea

blanca …………………………………. 19

1.5.4 Robot seguidor de línea negra

con lógica de circuitos

integrados digitales no

programables……………………….. 20

1.5.5 Robots con lógica de

microcontrolador ………………….. 21

1.5.5.1 Robot seguidor de luz con

lógica de

microcontrolador en

lenguaje C ……………………… 21

1.5.5.2 Robot seguidor de luz con

lógica de

microcontrolador en

lenguaje Assembler ………… 22

Capítulo 2

Fundamentos y circuitos de

aplicación en Robótica ………………….. 23

2.1 Corriente eléctrica…………………………… 23

2.1.1 Intensidad de la corriente

eléctrica………………………………….. 23

2.1.2 Amperímetro ……………………………. 24

2.2 Corriente Alterna (CA)…………………….. 25

2.2.1 Frecuencia ………………………………. 26
2.2.2 Período……………………………………. 26

2.2.3 Ciclo ……………………………………….. 26

2.3 Corriente Continua (CC) …………………… 27

2.4 Tensión eléctrica ……………………………… 27

2.4.1 Voltímetro ……………………………….. 28

2.5 Resistencia eléctrica ……………………….. 28

2.6 Primera Ley de OHM ……………………….. 29

2.7 Triángulo de la Ley de OHM …………….. 29

2.8 Circuito eléctrico …………………………….. 30

2.9 Leyes de Kirchhoff ………………………….. 30

2.10 Configuraciones circuitales

básicas ……………………………………………. 30

2.11 Circuitos en serie …………………………… 30

2.11.1 Malla…………………………………….. 32

2.11.2 Segunda Ley de Kirchhoff

(LVK)………………………………………. 33

2.12 Circuitos paralelos…………………………. 35

2.12.1 Primera Ley de Kirchhoff (LIK)…. 35

2.12.2 Nodo …………………………………….. 36

2.13 Circuitos mixtos…………………………… 36

2.14 Potencia eléctrica………………………… 37

2.15 Triángulo de potencia ………………….. 38

2.16 Gráfico de sectores ……………………… 39

2.17 Señales ………………………………………. 40

2.18 Electrónica analógica…………………… 40

2.18.1 Señales analógicas………………… 40

2.19 Electrónica digital………………………… 41

2.19.1 Señales digitales……………………. 41

2.20 Sistema de numeración binario ……. 42

2.20.1 Conversión binario a decimal ….. 43

2.20.2 Conversión decimal a binario ….. 43

2.21 Complemento a 1 de un número

binario ………………………………………….. 44

2.22 Niveles lógicos y niveles de tensión . 44

2.23 Resistencias de pull down ……………. 45

2.24 Resistencias de pull up ………………… 48

2.25 Tierra o ground ……………………………. 49

Capítulo 3

Componentes Empleados en

Robótica ………………………………………….. 51

3.1 Introducción ………………………………….. 51

3.2 Tecnologías de Componentes THT y

SMD……………………………………………………. 51

3.3 Resistencias………………………………….. 52

3.3.1 Tipos y características………………. 53

3.3.2 Resistencias fijas …………………….. 54
3.3.2.1 Resistencias de carbón ………. 54

3.3.3 Resistencias variables………………. 56

3.3.4 Resistencias de metal film o

precisión…………………………………. 58

3.3.5 Resistencias de encapsulados

especiales ………………………………. 59

3.4 Diodos…………………………………………… 59

3.4.1 Tipos y características………………. 61

3.4.2 Diodos LED ……………………………… 61

3.5 Transistores…………………………………… 63

3.5.1 Bipolares…………………………………. 63

3.5.2 MOSFET…………………………………… 65

3.5.3 Fototransistores……………………….. 65

3.5.4 Encapsulados más empleados

en Robótica …………………………………………. 66

3.5.5 Configuración Darlington…………… 66

3.5.6 Método de Testeo de

funcionamiento ……………………….. 68

3.5.7 Pin Out de los Transistores a

emplear ………………………………….. 69

3.5.8 Obtención del valor del βcc o

hFE…………………………………………. 70

3.5.9 Transistor 2N2222A.

Características ……………………………………. 71

3.5.10 Submúltiplos y notación

científica…………………………………. 72

3.5.11 Configuraciones de un

transistor……………………………… 72

3.6 Capacitores …………………………………… 73

3.6.1 Tipos y características………………. 75

3.6.2 Cerámicos ……………………………….. 75

3.6.3 Cerámicos multicapa………………… 76

3.6.4 Electrolíticos de aluminio ………….. 77

3.6.5 Electrolíticos de tantalio……………. 77

3.6.6 Modos de funcionamiento ………… 77

3.6.6.1 Capacitor en corriente

continua ……………………………………………… 124

4.6.6.2 Capacitor en corriente

alterna ………………………………………………… 124

3.7 Osciladores……………………………………. 78

3.7.1 Oscilador de cristal…………………… 79

3.8 Sensores……………………………………….. 79

3.8.1 LDR – Resistencia dependiente

de la Luz ……………………………………. 80

3.8.2 Sensor óptico por infrarrojo ………. 81

3.8.3 Sensor ultrasónico……………………. 85

3.8.4 Sensores de implementación

con componentes discretos…………. 87

3.9 Placas multipropósito o

experimentales……………………………… 88

3.10 Zócalos ……………………………………….. 89

3.11 Wire wrapping……………………………… 90

3.11.1 Pinza de wire wrapping …………… 91

3.11.2 Zócalos de wire wrapping ……….. 92
3.11.3 Cable de wire wrapping ………….. 92

3.12 Borneras para placa de 2

terminales …………………………………. 93

3.13 Baterías………………………………………. 94

3.14 Conector broche para batería……….. 97

3.15 Imán de neodimio ……………………….. 97

3.16 Tornillos, tuercas, arandelas, bujes.. 98

3.17 Motores………………………………………. 100

3.17.1 Motor de corriente continua……. 100

3.17.2 Servomotor……………………………. 101

3.17.3 Motores para aplicación en

Robótica …………………………………. 101

3.17.4 Diferencia entre velocidad y

torque…………………………………….. 103

3.18 Esquinero ángulo…………………………. 104

3.19 Ruedas……………………………………….. 105

3.19.1 Modelos y características ……….. 105

3.19.2 Ruedas para motores …………….. 106

3.19.3 Omni wheel – Rueda

omnidireccional ………………………. 106

3.19.4 Rueda loca ……………………………. 106

3.19.5 Opciones avanzadas de diseño

de ruedas……………………………….. 108

3.19.5.1 Modelado e impresión 3D … 108

3.19.5.2 Diseño de moldes ……………. 108

3.20 Patas Metálicas…………………………… 110

3.21 Termocontraibles ………………………… 110

3.22 Estaño ………………………………………… 111

Capítulo 4

Herramientas e instrumental para

Robótica ………………………………………….. 113

4.1 Soldador y estación de soldado………. 113

4.2 Soporte de soldador ………………………. 114

4.3 Cutter……………………………………………. 115

4.4 Limas de matricero ……………………….. 115

4.5 Alicate ………………………………………….. 115

4.6 Pinza de punta plana …………………….. 116

4.7 Set de destornilladores perilleros……. 116

4.8 Bruselas ……………………………………….. 117

4.9 Calibre ………………………………………….. 117

4.10 Torno de mano ……………………………. 118

4.10.1 Mechas…………………………………. 118

4.10.2 Discos de corte ……………………… 119

4.10.3 Accesorios …………………………….. 120

4.11 Instrumental de medición ……………. 121

4.11.1 Introducción ………………………….. 121

4.11.2 Tester……………………………………. 121

4.11.3 Osciloscopio ………………………….. 124

4.11.3.1 Osciloscopio analógico……… 124

4.11.3.2 Osciloscopio digital ………….. 125

4.12 Elementos de seguridad personal…. 125
Capítulo 5

Diseño e implementación de

Robots sin lógica adicional …………..127

5.1 Diseño y montaje de circuitos………….127

5.1.1 Introducción……………………………..127

5.1.2 Métodos y técnicas de montaje….127

5.1.3 Método de montaje cableado …….128

5.1.4 Montaje con wire wrapping ………..129

5.1.5 Diseño de circuitos impresos

PCB …………………………………………130

5.2 Robot seguidor de luz…………………….. 131

5.2.1 Introducción……………………………..131

5.2.2 Circuito eléctrico………………………. 132

5.2.3 Principio de funcionamiento ………133

5.2.4 Listado de materiales o BOM……..134

5.2.5 Montaje y pasos de

implementación ………………………. 134

5.2.6 Testeo y pruebas de

funcionamiento ……………………….. 137

5.3 Robot seguidor de línea blanca ……….139

5.3.1 Circuito eléctrico………………………. 139

5.3.2 Principio de funcionamiento ………140

5.3.3 Listado de materiales o BOM……..140

5.3.4 Montaje y pasos de

implementación ………………………. 141

5.3.5 Testeo y pruebas de

funcionamiento ……………………….. 142

5.4 Otra forma de montaje de Robots……143

5.4.1 Introducción……………………………..143

5.4.2 Montaje y pasos de

implementación ………………………. 143

5.4.3 Otras modificaciones………………… 148

5.4.4 Listado de materiales o BOM.

Vista Ampliada ………………………… 151

Capítulo 6

Introducción a la programación en

Robótica …………………………………………..153

6.1 Introducción …………………………………..153

6.2 Algoritmo……………………………………….154

6.2.1 Definiciones ……………………………..154

6.2.2 Tres etapas de diseño………………. 154

6.2.3 Tres características ………………….. 155

6.2.4 Etapas de un algoritmo ……………..156

6.3 Lenguajes de programación ……………156

6.3.1 Clasificación……………………………..156

6.3.2 Lenguaje de máquina……………….. 156

6.3.3 Lenguaje de bajo nivel ………………157

6.3.4 Lenguajes de alto nivel ……………..157

6.4 Compilador, enlazador e intérpretes ..158

6.4.1 Compilador……………………………….158

6.4.2 Intérprete …………………………………158

6.5 Paradigmas de programación …………158
6.5.1 Clasificación ……………………………. 158

6.5.2 Programación estructurada (PE) .. 159

6.6 Tipos de datos……………………………….. 160

6.7 Desarrollo de algoritmos………………… 164

6.7.1 Diagramas ………………………………. 164

6.7.2 Diagramas de flujo …………………… 164

6.7.3 Diagramas de flujo símbolos

básicos …………………………………… 165

6.7.4 Diagramas de Nassi-

Shneiderman ………………………….. 167

6.7.5 Structorizer Software ……………….. 169

6.8 Validación o verificación de

algoritmos…………………………………….. 171

6.8.1 Pruebas de escritorio (PE) ………… 172

6.9 Lenguaje Ensamblador o Assembler.. 172

6.9.1 Set de Instrucciones ………………… 173

6.10 IDE – Entorno de Desarrollo

Integrado ……………………………………… 173

6.10.1 Introducción ………………………….. 173

6.10.2 IDE MPLAB – Assembler ………….. 173

6.10.3 IDE MPLAB X – Lenguaje C……… 177

6.10.4 IDE Dev-C++ ………………………….. 178

6.11 Lenguaje C ………………………………….. 180

6.11.1 Historia …………………………………. 181

6.11.2 Biblioteca estándar de C ………… 181

6.11.3 Funciones……………………………… 181

6.11.4 Estructura básica de un

programa en C ………………………… 182

6.11.5 Aplicación de desarrollo de

algoritmos ………………………………. 184

Capítulo 7

Diseño e implementación de

robots con lógica de circuitos

integrados digitales no

programables ……………………………… 191

7.1 Diseño de robots con compuertas

lógicas ……………………………………………..191

7.2 Compuertas lógicas………………………….192

7.3 Descripción y modo de

funcionamiento………………………………..194

7.3.1 Compuerta Inversora (NOT) ………. 194

7.3.2 Compuerta OR …………………………. 195

7.3.3 Compuerta AND……………………….. 196

7.3.4 Compuerta NOR ………………………. 197

7.3.5 Compuerta NAND …………………….. 198

7.3.6 Compuerta XOR ……………………….. 199

7.3.7 Compuerta XNOR …………………….. 200

7.4 Circuitos Integrados………………………….201

7.4.1 Clasificación ……………………………. 201

7.4.2 Tecnología TTL…………………………. 202

7.4.3 Tecnología CMOS …………………….. 205

7.5 Circuito Integrado 40106BE ……………206
7.6 Circuito Integrado ULN2803 ……………207

7.7 Robot seguidor de línea negra con

lógica de circuitos integrados

digitales no programables ………………208

7.7.1 Introducción……………………………..209

7.7.2 Circuito eléctrico………………………. 209

7.7.3 Principio de funcionamiento ………210

7.7.4 Listado de materiales o BOM……..211

7.7.5 Montaje y pasos de

implementación ………………………. 212

7.7.6 Testeo y pruebas de

funcionamiento ……………………….. 216

Capítulo 8

Microcontroladores y su

Aplicación en Robótica …………………221

8.1 Introducción a los

microcontroladores ………………………….221

8.2 Microcontroladores y

microprocesadores ………………………….222

8.3 Arquitecturas de Harvard y Von

Neumann …………………………………………222

8.4 Arquitectura interna …………………………224

8.5 Set de instrucciones CISC y RISC ……..224

8.5.1 Set de instrucciones CISC ………….225

8.5.2 Set de instrucciones RISC………….225

8.6 Ciclos de máquina vs ciclos de Clk …..225

8.7 Pin out ……………………………………………..226

8.8 Puertos o ports…………………………………226

8.9 SFR – Registros de funciones

especiales………………………………………..227

8.10 Tipos de memoria ………………………….227

8.10.1 Mapa de memoria………………….. 229

8.11 Elección del microcontrolador………..229

8.12 Herramientas de trabajo………………..233

8.13 Programación. Pasos a seguir ……….233

8.14 Programador – PICkit 3 de

Microchip …………………………………………234

8.14.1 ICSP – In Circuit Serial

Programing………………………………234

8.14.2 Implementación de la ICSP en

Robótica ………………………………….235

8.15 Implementación de placa de

entrenamiento …………………………………236

8.15.1 Desarrollo de la aplicación ………237

8.15.2 Explicación de la sintaxis del

programa…………………………………240

8.16 Set de Instrucciones del μC

16F84A ……………………………………………242

8.17 Configuración básica de los μC a

emplear……………………………………………242

8.17.1 Configuración Básica del μC

16F84A……………………………………242
8.17.2 Configuración Básica del μC

18F4610………………………………… 243

Capítulo 9

Diseño e implementación de

robots con lógica de

microcontrolador …………………………. 245

9.1 Introducción ……………………………………. 245

9.2 Robot seguidor de luz con lógica de

microcontrolador en lenguaje C ……… 245

9..2.1 Circuito eléctrico……………………… 246

9..2.2 Principio de funcionamiento…….. 247

9..2.3 Listado de materiales o BOM …… 249

9..2.4 Montaje y pasos de

implementación………………………. 250

9.2.5 Testeo y pruebas de

funcionamiento……………………….. 258

9.2.5.1 Testeo del hardware…………… 258

9.2.5.2 Testeo del software ……………. 258

9.2.5.3 Testeo del software en la

implementación del

hardware ………………………….. 259

9.2.6 Desarrollo de programas ………….. 259

9.3 Robot seguidor de luz con lógica de

microcontrolador en lenguaje

Assembler ………………………………………. 269

9.3.1 Circuito eléctrico………………………. 269

9.3.2 Principio de funcionamiento……… 270

9.3.3 Listado de materiales o BOM ……. 270

9.3.4 Montaje y pasos de

implementación………………………. 270

9.3.5 Testeo y pruebas de

funcionamiento……………………….. 271

9.3.6 Desarrollo de programas ………….. 272

Capítulo 10

Arduino – Otra forma de hacer Robótica . 287

10.1 Introducción a Arduino………………….. 287

10.2 Processing…………………………………….. 291

10.3 Wiring……………………………………………. 293

10.4 IDE Arduino …………………………………… 296

10.5 Lenguaje Arduino………………………….. 298

10.6 Estructura de un programa …………… 298

10.7 Desarrollo de programas………………. 299

10.8 Placas Arduino ……………………………… 302

10.8.1 Arduino Uno…………………………… 306

10.8.2 Arduino Mega 2560……………….. 307

10.9 Shields Arduino …………………………….. 307

10.10 Fritzing Software de diseño de

PCB……………………………………………… 309

10.11 Aplicaciones de Robótica con

Arduino ……………………………………….. 312
10.11.1 Introducción ………………………… 312

10.11.2 Arduino robots……………………… 312

10.11.3 Robots compatibles con

Arduino…………………………………313

10.11.4 Desarrollo empleando

Arduino…………………………………314

Capítulo 11

Impresoras 3D Aplicación en

Robótica ………………………………………317

11.1 Introducción ………………………………….. 317

11.2 Tipos y características…………………… 318

11.2.1 Cartesianas ……………………………318

11.2.2 Delta ……………………………………..319

11.3 Electrónica – Hardware ………………….. 320

11.4 Tipos de archivos de trabajo …………. 321

11.5 Software empleado en impresión

3D …………………………………………………… 323

11.6 Diseño e impresión de

componentes y chasis…………………….. 324

Capítulo 12

Robótica Avanzada – FPGA ……………333

12.1 Introducción ………………………………….. 333

12.2 FPGA – Placa a emplear……………….. 334

12.3 IDE – ISE……………………………………….. 334

12.4 Descarga del programa ………………… 335

12.5 Creación de un proyecto ……………….. 335

12.5.1 VHDL – Lenguaje …………………….. 341

12.5.2 Estructura de un programa………343

12.5.3 Comportamiento lógico del

componente …………………………….344

12.5.4 Sintaxis y sintetización del

programa…………………………………344

12.5.5 Vista de esquemático………………345

12.5.6 Simulación del proyecto…………..346

12.5.7 Generación de archivo

ejecutable………………………………..352

12.5.8 Conexión de la placa Basys 2 a

la PC ……………………………………….358