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Diseño de un circuito electrónico para el control de 8 servomotores y 2 motores de continua

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Ejemplo de diseño de un circuito electrónico para el control de 8 servomotores y 2 motores de continua (mediante etapa de potencia externa) para controlar un manipulador móvil.

El Brazo Robótico diseñado por Antonio Castro y publicado aquí, ha sido modificado y adaptado para incluir una base móvil con ruedas, tal y como se describe aquí.

brazo

Este manipulador móvil, utiliza dos ruedas de 100mm de diámetro y 12mm de diámetro interno, el material de las ruedas es el caucho, si bien se puede utilizar cualquier otro tipo de rueda. Las ruedas las podéis localizar aquí (código RS 337-9797).

Se ha escogido dos motores de 24V DC para acoplarlos a las ruedas, de 1.62W que gira a 6300 rpm a eje de motor y a 67 rpm a eje de rueda de 4 mm, las especificaciones completas las encontraréis aquí.

Por simplicidad, los motores fueron atornillados directamente a la base, en la parte posterior de esta. Para unir el eje de los motores con las ruedas, se opta por fabricar un pequeño eje que permita dicha unión, que coincida con los diámetros del diámetro interno de la rueda y diámetro del eje del motor (a eje de rueda).

Para acoplar el eje diseñado con el eje del motor se ha realizado un mandrinado con una fresadora que permita realizar las funciones de tornillo prisionero de ajuste entre las dos piezas.

El siguiente paso es proporcionar un tercer punto de apoyo a la base de manera que permita al robot sostenerse. La solución empleada es el empleo de una rueda caster, mediante una canica, que será atornillado a la base del robot.

Finalmente tras el montaje obtenemos lo siguiente:

base-modificada-300x225

P1070110

Con lo que el montaje final del brazo y la base es:

Brazomod

A continuación se adjunto un fichero .rar con los archivos de solidworks empleados en el diseño de la base.

Diseño de la placa

A continuación describiremos el montaje de un PCB( Printed Circuit Board) que nos permita mediante el uso de un arduino mini para el control de los motores y los servos del brazo.

Controlador para los motores.

Para poder controlar los dos motores a la vez mediante un único arduino se utiliza una etapa de control de potencia, en este caso se ha empleado la placa MD22.

MD22

La alimentación de la placa es de 5V y 50 mA, y esta es capaz de alimentar motores comprendidos entre los 5V y los 24V. La placa dispone de dos entradas (SCL y SDA) para controlar los motores. De los diferentes modos de control de los que dispone la placa, se va a emplear el modo I2C.

Microcontrolador.

El microcontrolador empleado para el control de los motores es el Arduino mini 5. En el siguiente esquema podemos los diferentes pines de los que dispone el controlador.

esquema-arduino5-pines-300x289

Para conectar el microcontrolador al ordenador, se utilizara el siguiente adaptador USB (sólo para programación):

usb

Las entradas TX y RX del arduino sirven para la transferencia de datos entre el arduino y el PC. La conexión es sencilla, debemos conectar los pines TX y RX del arduino con los pines RX y TX del adaptador, respectivamente, ya que las líneas de comunicación deben ir cruzadas.

 Esquema PCB.

A continuación se muestra el esquema del diseño de la placa:

esquema-electricopcb-extension-pines

Tanto el esquema eléctrico anterior como el posterior esquema de la distribución de los componentes electrónicos en la placa y el diseño de sus líneas de conectado, se ha empleado la versión gratuita del programa EAGLE.

En el esquema se puede observar que de cada salida se saca un conjunto de 3 pines, con separación de 2.4mm, siendo éstos compatibles con los servos a utilizar para el brazo robótico.

El diseño electrónico se ha diseñado para que la batería pudiera alimentar tanto a los motores como a la placa de potencia y al arduino. En este sentido, como la placa de potencia necesita ser alimentada a 5V para la parte del circuito lógico y a la tensión que funcione el motor de 24V, se han incluido regletas que permitan suministrar dichas tensiones.

También mediante el uso del regulador de tensión 7805, reduciremos la tensión de 24V aplicada en la regleta a 5V que nos permitirá suministrar la tensión a los pines de los servos, y a la otra regleta donde podremos sacar un cable para alimentar la placa de control de potencia y al arduino.

Decir, que el reducir tanto la tensión provoca un exceso de calentamiento en el regulador, por tratarse de un regulador lineal, con lo que se aconseja el uso de fuentes de alimentación conmutadas para evitar este problema.

Otro elemento a destacar en el esquema eléctrico es el uso de resistencias de 10KΩ entre la salida A4 y A5 del arduino y la clavija. Estas salidas, son las salidas I2C que tiene el arduino. Se recomienda utilizar resistencias de 10kΩ.

El diseño para crear la PCB es el siguiente:

pcb.extensionpines

Para fabricar la placa PCB se empleó una pequeña máquina de CNC, la iModela, que permite el mecanizado de la misma con instrucciones gcode, que la máquina interpreta.

P1070090

En nuestro caso, el tamaño máximo de la placa viene determinado por dicha máquina, pudiendo utilizar una placa de cobre de mayor tamaño si se emplea una maquina distinta, o se fabrica mediante un proceso casero de insolación y atacado de ácido.

A continuación se muestra el resultado obtenido, tras soldar todos los elementos y colocar el arduino.

placa-extension-terminada

A continuación se incluye el fichero zip con los archivos de eagle que contienen el diseño eléctrico de la placa y la pcb, junto con un pdf con la lista de materiales usados en el montaje y la pcb.

 

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