ROBÓTICA – Diseño y aplicación

Descripción

En la actualidad, no existe área, disciplina o actividad económica que no haya sido abordada por esta fantástica y dinámica interdisciplina de la robótica. Sin embargo, su abordaje o introducción de forma práctica, no resulta una labor sencilla, por lo que este libro le brinda al lector la oportunidad, de iniciarse o profundizar en la robótica, conociendo su historia, definiciones, fundamentos, tipos y categorías de robots, herramientas, software y hardware empleado. Permitiendo a través de la integración de los saberes desarrollados en cada capítulo, la implementación y personalización de sus propios robots y proyectos de robótica.
Robótica. Diseño y aplicación muestra temas de programación, electrónica, electrotecnia, microcontroladores, placas y sistemas Arduino, impresión 3D, FPGA, sistemas y métodos de montaje de componentes, herramientas e instrumental de medición.

VENTAJAS

• Va desde la introducción a la robótica hasta la robótica avanzada
• Contiene definiciones de lenguaje técnico.
• Cuenta con imágenes de herramientas, de circuitos, de paso a paso sobre métodos y procesos.
• Cuenta con un capítulo de aplicación, donde aprenderás a realizar un robot seguidor de luz.

CONOZCA

• Qué es robótica, fundamentos y circuitos de aplicación.
• Herramientas, componentes, diseño y programación de robots.
• Qué es arduino, cómo funciona y cómo programarla.

APRENDA

• La clasificación de los robots y sus componentes.
• Métodos y técnicas de montaje.
• Sobre programación en C y C++.
• La aplicación de impresoras 3D en la robótica.

DESARROLLE SUS HABILIDADES PARA

• Aplicar fundamentos y circuitos en robótica.
• Iniciarse en la programación de Arduino.

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