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Automatización de un camión de Lego Technic con Arduino

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Ejemplo de robotización de un Lego, mediante sensores y actuadores para su control a distancia.

Este robot móvil diseñado por Jorge José García y publicado aquí, ha sido modificado de en su totalidad funcional sin alterar su estructura física, dando la posibilidad de automatizar la estructura de camión LEGO Technic modelo 42023 a base de diseñar sensores y actuadores que se puedan acoplar y controlar mediante un Arduino UNO conectado vía bluetooth a un dispositivo móvil.

img01

1 – DISEÑO DE LAS PIEZAS

Para acoplar los diferentes sensores y actuadores necesarios para robotizar esta estructura LEGO, ha sido imprescindible el diseño de piezas que puedan sostener el sensor o actuador y que a la vez nos permitiesen integrarlas en la estructura de manera funcional.

Dichas piezas han sido diseñadas en el software libre de Solidwork e impresas digitalmente por una impresora 3D Da Vinci 1.0 con el programa XYZware. Recalcar que no se ha diseñado bordes más redondeados para los acoplamiento dado que suponen una mayor dificultad a la hora de imprimir digitalmente.

A continuación se detalla su diseño:

Pieza A Servomotor

servo

Para controlar la dirección del camión aprovechando el sistema de engranajes que orientar las ruedas delanteras y que dicho Lego Technic nos presenta en la estructura, se ha decidido acoplar un servomotor SG90 a dicho eje situado en la parte superior de la cabina, creando una pieza que posicione el servomotor encima del eje de control. Para ello se ha partido de la base de una viga Lego de 7 agujeros que se pudiese acoplar a otra igual de la estructura, mediante clavijas Lego con fricción. Y se ha diseñado una cavidad para el servo, capaz de situarla y amarrarla en la estructura.

Pieza B Motor tracción trasera

MOTOR TRASERO

Para el diseño de la pieza B, necesaria para dar movilidad al robot mediante el acoplamiento de un motor Pololu N20 a las ruedas traseras del camión. Dado el escaso espacio de la parte inferior del vehículo, se ha diseñado para que se pueda conexionar la pieza a la viga Lego que sostiene el eje de las ruedas, intercambiando dicha viga por una con 3 agujeros más con el fin de ganar en espacio para acoplar la pieza. El motor con la reductora se han colocado perpendicular al eje de las ruedas y se le ha pegado con Araldite un engranaje lineal Lego de 12 dientes, que transmitirá el movimiento a otro colocado en el eje de las ruedas de 20 diente Lego.

Relación de transmisión

$$\tau=\frac{\omega_2}{\omega_1}=\frac{Z_1}{Z_2}$$
$$\omega_1$$ es la velocidad angular de entrada 
$$\omega_2$$ es la velocidad angular de salida transmitida
$$Z_2$$  es el número de dientes del engranaje de entrada.
$$Z_1$$ es el número de dientes del engranaje de salida.

$$RT=\frac{20}{12}=1.66$$

Pieza C Motor control tolva

TOLVA

Para elevar y descender la tolva del Lego se ha empleado un motor Pololu N20 con reductora acoplado a un sistema de engranajes que termina con un actuador lineal que define su posición. Para ello se ha decidido anclar la pieza mediante 2 clavijas Lego con fricción a una cavidad situada debajo de la cabina, e inclinar el motor para que haga buen contacto. La relación de transmisión es de 1. Y se a soldado el engranaje Lego de 12 dientes a la reductora usando Araldite.

Pieza D Ultrasonido

ULTRASONIDO

Dicha pieza D, servirá para sostener un sensor de ultrasonido modelo HC-SR04 en la parte superior del capó del camión, dotando al robot de detección de objetos frente a él. El diseño de la pieza se ha realizado teniendo en cuenta las dimensiones del capó y partiendo como base de 2 vigas Lego separadas paralelamente 4cm , las cuales mediante 2 clavijas Lego negras con fricción, serán conectadas a la parte frontal del camión cada una. Para el diseño de la cavidad donde se sitúa el ultrasonido se han tenido en cuenta las dimensiones del modelo HC-SR04.

Pieza E Infrarrojos

INFRARROJO

La pieza E ha sido diseñada para portar 2 TCRT5000 que actúen como sensores con el fin de detectar una línea y así poder realizar un acción en consecuencia. Se ha querido colocar en el guardabarros delantero del camión Lego constituido por una viga de 9 agujeros, de los cuales los 3 de en medio están libres y utilizaremos como base para conexionar nuestra pieza. Se han distanciado los dos sensores 1,4cm de manera que sea esta la medida “máxima” que podría tener el grosor de una línea a seguir.

 

Piezas opcionales

Se han diseñado dos piezas con la funcionalidad de sostener el bluetooth y la placa de Arduino, anclándolas a la estructura mediante clavijas Lego.

2 – DISEÑO ELECTRÓNICO

 

La electrónica de este robot fundamentalmente tiene 4 partes, sensores, actuadores, control y alimentación, todas integradas en la estructura mediante los acoples anteriormente diseñados. El sistema eléctrico ha sido diseñado con el propósito de controlar mediante una placa Arduino Uno, las siguientes partes:

  • Sensores

Ultrasonido HC-SR04

2 infrarrojos TRCT5000

  • Actuadores

2 motores Pololu HPCB 3064

Servomotor SG90

  • Control

Shield VMA03

Bluetooth HC-06

  • Alimentación

9 pilasAAA

UBEC X3 PRO 3.5A/5V

Recalcar que se ha utilizado una shield VMA03 para alimentar los motores, apilada al Arduino Uno y alimentada externamente por un UBEC que le proporciona los 3.5A de corriente.

Aquí se muestra el sistema electrónico realizado con fritzing:

 

SISTEMA ELECTRICO

 

3 – DISEÑO SOFTWARE

 

  • Arduino

Aquí se presenta un programa para el control del robot basado en una estructura swithc, la cual mediante la lectura del serial de la placa conectado al bluetooth, recibirá un dato y procesará el case correspondiente con una función programada.

 

Arduino Código

 

  • App Inventor 2

Para el control del robot móvil se ha diseñado una aplicación móvil mediante el programa App Inventor 2 , el cual no es necesario instalar ya que tiene una versión web creada por Google que funciona perfectamente.

El diseño se dicha app se basa en dos partes:

Diseño gráfico, donde intuitivamente gracias a la simplicidad del programa, se ha diseñado el apartado gráfico que observaría el usuario al usar su móvil para controlar el robot. La estructura gráfica la componente básicamente botones para mandar ordenes al arduino o cambiar de ventanas y listpicks para seleccionar el bluetooth y conectarse.

Diseño de bloques. En este apartado se atribuyen las funciones a cada elemento agregado en el diseño gráfico. El editor de bloques de la aplicación utiliza la librería Open Blocks de Java para crear un lenguaje visual a partir de bloques. El compilador que traduce el lenguaje visual de los bloques para la aplicación en Android utiliza Kawa como lenguaje de programación.

 

 

Se pueden descargar los archivos en formato .aia (Para modificar el proyecto de AppInventor2) y en formato .apk (Para instalar en el móvil):

http://ai2.appinventor.mit.edu/?locale=es_ES#5318189800488960

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