PLANTA ROBOT: 10 Pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

A todo el mundo le gusta tener plantas en casa, pero a veces, con nuestras vidas ocupadas, no encontramos el tiempo para cuidarlas bien. A partir de este problema se nos ocurrió una idea: ¿por qué no construir un robot que se encargara de él por nosotros?

Este proyecto consta de una planta-robot que se cuida a sí misma. La planta está integrada en el robot y podrá regar y encontrar luz evitando obstáculos. Esto ha sido posible mediante el uso de varios sensores en el robot y la planta. Este Instructable tiene como objetivo guiarlo a través del proceso de creación de un robot de plantas para que no tenga que preocuparse por sus plantas todos los días.

Este proyecto es parte de Bruface Mechatronics y ha sido realizado por:

Mercedes Arévalo Suárez

Daniel Blanquez

Balduino Cornelis

Kaat Leemans

Marcos Martínez Jiménez

Basile Thisse

(Grupo 4)

Paso 1: LISTA DE COMPRAS

Aquí hay una lista de todos los productos que necesitará para construir este robot. Para cada pieza subrayada hay un enlace disponible:

Soporte de motores impresos en 3D X1 (copia en 3D)

Ruedas impresas en 3D + conexión rueda-motor X2 (copia en 3D)

Pilas AA Nimh X8

Rollo de papel abrasivo X1

Arduino Mega X1

Rueda giratoria de bolas X1

Soporte de batería X2

Protoboard para pruebas X1

Protoboard para soldar X1

Motores DC (con codificador) X2

Bisagras X2

Higrómetro X1

Resistencias dependientes de la luz X3

Saltadores hombre-hombre y hombre-mujer

Blindaje del motor X1

Planta X1 (esto depende de ti)

Maceta X1

Soporte de planta X1 (impreso en 3D)

Tubo de plástico X1

Resistencias de diferentes valores

Papel de rascar X1

Empulgueras

Sensores nítidos X3 (GP2Y0A21YK0F 10-80 cm)

Interruptor X1

Bomba de agua X1

Tanque de reserva de agua (Tupperware pequeño) X1

Alambres

Tenga en cuenta que estas opciones son el resultado de limitaciones de tiempo y presupuesto (3 meses y 200 €). Se pueden hacer otras elecciones a su propia discreción.

EXPLICACIÓN DE LAS DIFERENTES OPCIONES

Arduino Mega sobre Arduino Uno: En primer lugar, también deberíamos explicar la razón por la que hemos utilizado Arduino. Arduino es una plataforma de creación de prototipos electrónicos de código abierto que permite a los usuarios crear objetos electrónicos interactivos. Es muy popular entre expertos y novatos, lo que contribuye a encontrar mucha información al respecto en Internet. Esto puede ser útil cuando tienes un problema con tu proyecto. Elegimos un Arduino Mega sobre un Uno porque tiene más pines. De hecho, para la cantidad de sensores que usamos, un Uno no ofrecía suficientes pines. Un Mega también es más poderoso y podría ser útil si agregamos algunas mejoras como un módulo WIFI.

Baterías Nimh: una primera idea fue utilizar baterías LiPo como en muchos proyectos robóticos. Los LiPo tienen una buena tasa de descarga y son fácilmente recargables. Pero pronto nos dimos cuenta de que LiPo y el cargador eran demasiado caros. Las únicas otras baterías adecuadas para este proyecto eran las de Nimh. De hecho, son baratos, recargables y ligeros. Para alimentar el motor necesitaremos 8 de ellos para lograr una tensión de alimentación de 9,6 V (descargada) a 12 V (completamente cargada).

Motores de CC con codificadores: Teniendo en cuenta el objetivo principal de este actuador, proporcionar energía de rotación a las ruedas, elegimos dos motores de CC en lugar de servomotores, que tienen una limitación en el ángulo de rotación y están diseñados para tareas más específicas en las que es necesario definir la posición. precisamente. El hecho de contar con codificadores también agrega la posibilidad de tener una mayor precisión si es necesario. Tenga en cuenta que finalmente no usamos los codificadores porque nos dimos cuenta de que los motores eran bastante similares y no necesitábamos que el robot siguiera una línea recta con precisión.

Hay muchos motores de CC en el mercado y estábamos buscando uno que se ajustara a nuestro presupuesto y robot. Para satisfacer estas restricciones, dos parámetros importantes nos ayudaron a elegir el motor: el par necesario para mover el robot y la velocidad del robot (para encontrar las rpm necesarias).

1) Calcule las rpm

Este robot no necesitará romper la barrera del sonido. Para seguir la luz o seguir a alguien en una casa parece razonable una velocidad de 1 m / so 3,6 km / h. Para traducirlo a rpm usamos el diámetro de las ruedas: 9cm. Las rpm están dadas por: rpm = (60 * velocidad (m / s)) / (2 * pi * r) = (60 * 1) / (2 * pi * 0.045) = 212 rpm.

2) Calcule el par máximo necesario

Dado que este robot evolucionará en un entorno plano, el par máximo necesario es el que hace que el robot se mueva. Si tenemos en cuenta que el peso del robot con la planta y cada componente ronda los 3 kilos y utilizando las fuerzas de fricción entre las ruedas y el suelo podemos encontrar fácilmente el par. Considerando un coeficiente de fricción de 1 entre el suelo y las ruedas: Fuerzas de fricción (Fr) = coeficiente de fricción. * N (donde N es el peso del robot) esto nos da Fr = 1 * 3 * 10 = 30 N. El par para cada motor se puede encontrar de la siguiente manera: T = (Fr * r) / 2 donde r es el radio de las ruedas por lo que T = (30 * 0.045) / 2 = 0.675 Nm = 6.88 kg cm.

Estas son las características del motor que elegimos: a 6V 175 rpm y 4 kg cm a 12V 350 rpm y 8 kg cm. Sabiendo que se alimentará entre 9,6 y 12 V mediante una interpolación lineal, parece claro que se cumplirán las restricciones anteriores.

Sensores de luz: Elegimos resistencias dependientes de la luz (LDR) porque su resistencia varía rápidamente con la luz y el voltaje en el LDR se puede medir fácilmente aplicando un voltaje constante en un divisor de voltaje que contiene el LDR.

Sensores afilados: se utilizan para evitar obstáculos. Los sensores de distancia nítidos son económicos y fáciles de usar, lo que los convierte en una opción popular para la detección y el alcance de objetos. Por lo general, tienen tasas de actualización más altas y rangos de detección máximos más cortos que los telémetros de sonda. Hay muchos modelos diferentes disponibles en el mercado con diferentes rangos de operación. Debido a que se utilizan para detectar obstáculos en este proyecto, elegimos el que tiene un rango de operación de 10-80 cm.

Bomba de agua: La bomba de agua es una bomba sencilla, ligera y no demasiado potente compatible con el rango de tensión de los motores para utilizar la misma alimentación para ambos. Otra solución para alimentar la planta con agua fue tener una base de agua separada del robot, pero es mucho más simple tener una en el robot.

Higrómetro: Un higrómetro es un sensor de humedad que se coloca en el suelo. Es necesario ya que el robot necesita saber cuándo la olla está seca para enviarle agua.

Paso 2: DISEÑO MECÁNICO

Básicamente, el diseño del robot constará de una caja rectangular, con tres ruedas en la parte inferior y una tapa que se abre en la parte superior. La planta se colocará encima con el depósito de agua. La maceta se coloca en la fijación de la maceta que se atornilla en la tabla superior del robot. El depósito de agua es un pequeño Tupperware rayado en la tabla superior del robot y la bomba de agua también está rayada en la parte inferior del depósito de agua, por lo que todo se puede quitar fácilmente al rellenar el Tupperware con agua. Se hace un pequeño orificio en la tapa del depósito debido al tubo de agua que entra en la maceta y la alimentación de la bomba que entra en la caja. Por tanto, se hace un agujero en la tabla superior de la caja y los cables del higrómetro también pasan a través de este agujero.

En primer lugar, queríamos que el robot tuviera un diseño atractivo, por eso decidimos esconder la parte electrónica dentro de una caja, dejando justo fuera de la planta y el agua. Esto es importante ya que las plantas son parte de la decoración de la casa y no deben afectar el espacio visualmente. Los componentes de la caja serán fácilmente accesibles a través de una tapa en la parte superior, y las cubiertas laterales tendrán los orificios necesarios para que sea fácil, por ejemplo, encender el robot o conectar el Arduino a un portátil si queremos. para programarlo de nuevo.

Los componentes de la caja son: el Arduino, el controlador del motor, los motores, el LDR, los soportes de pilas, la placa de pruebas y las bisagras. El Arduino está montado sobre pequeños pilares para que su parte inferior no se dañe y el controlador del motor esté montado en la parte superior del Arduino. Los motores se atornillan a las fijaciones del motor y luego las fijaciones de los motores se atornillan a la tabla inferior de la caja. Los LDR están soldados en una pequeña placa de pruebas. Se pegan mini tablones de madera a este tablero para atornillarlo a las caras laterales del robot. Hay un LDR al frente, uno en el lado izquierdo y otro en el lado derecho para que el robot pueda conocer la dirección con la mayor cantidad de luz. Los soportes de las pilas están rayados en la cara inferior de la caja para poder quitarlos fácilmente y cambiar las pilas o recargarlas. Luego, la placa de prueba se atornilla a la tabla inferior con pequeños pilares de forma triangular que tienen orificios de la forma de la esquina de la placa de prueba para sostenerla. Finalmente se atornillan las bisagras en la cara trasera y en la cara superior.

En la cara frontal se atornillarán directamente tres objetos punzantes para detectar y evitar los obstáculos de la mejor manera posible.

Aunque el diseño físico es importante no podemos olvidarnos de la parte técnica, estamos construyendo un robot y debe ser práctico y en la medida de lo posible debemos optimizar el espacio. Esta es la razón para optar por una forma rectangular, fue la mejor manera de organizar todos los componentes.

Finalmente, para el movimiento, el dispositivo contará con tres ruedas: dos motorizadas estándar en la parte trasera y una rueda giratoria en la parte delantera. Se muestran en conducción de tres ciclos, configuración, dirección delantera y conducción trasera.

Paso 3: FABRICACIÓN DE PIEZAS

La apariencia física del robot se puede cambiar según su interés. Se proporcionan dibujos técnicos, lo que puede funcionar como una buena base al diseñar el suyo.

Piezas cortadas con láser:

Las seis partes que componen la carcasa del robot han sido cortadas con láser. El material utilizado para ello ha sido madera reciclada. Esta caja también podría estar hecha de plexiglás, que es un poco más cara.

Piezas impresas en 3D:

Las dos ruedas estándar que se colocan en la parte posterior del robot se han impreso en 3D en PLA. La razón es que la única forma de encontrar ruedas que cumplieran con todas las necesidades (encajar en los motores de CC, tamaño, peso…) era diseñarlas nosotros mismos. Las fijaciones del motor también se imprimieron en 3D por motivos de presupuesto. Luego, el soporte de la maceta, los pilares que sostienen el Arduino y las esquinas que sostienen la placa de pruebas también se imprimieron en 3D porque necesitábamos una forma particular que se ajustara a nuestro robot.

Paso 4: ELECTRÓNICA

Sensores nítidos: los sensores nítidos tienen tres pines. Dos de ellos son para alimentación (Vcc y Ground) y el último es la señal medida (Vo). Para la alimentación tenemos el voltaje positivo que puede estar entre 4.5 y 5.5 V por lo que usaremos los 5V del Arduino. Vo se conectará a uno de los pines analógicos del Arduino.

Sensores de luz: Los sensores de luz necesitan un pequeño circuito para poder funcionar. El LDR se pone en serie con una resistencia de 900 kOhmios para crear un divisor de voltaje. La tierra está conectada en el pin del resistor no conectado al LDR y los 5V del Arduino están conectados al pin del LDR no conectado al resistor. El pin de la resistencia y el LDR conectados entre sí está conectado a un pin analógico del Arduino para medir este voltaje. Este voltaje variará entre 0 y 5V, correspondiendo 5V a plena luz y cercano a cero correspondiente a oscuridad. Luego, se soldará todo el circuito en un pequeño trozo de protoboard que pueda caber en las planchas laterales del robot.

Baterías: Las baterías están formadas por 4 pilas de entre 1,2 y 1,5 V cada una, es decir, entre 4,8 y 6 V. Al poner dos soportes para pilotes en serie tenemos entre 9,6 y 12 V.

Bomba de agua: La bomba de agua tiene una conexión (power jack) del mismo tipo que la alimentación del Arduino. El primer paso es cortar la conexión y desnudar el cable para tener el cable de tierra y el cable de voltaje positivo. Como queremos controlar la bomba, la pondremos en serie con un transistor controlable de corriente utilizado como interruptor. Luego se colocará un diodo en paralelo con la bomba para evitar corrientes de retorno. La pata inferior del transistor está conectada a la tierra común de Arduino / baterías, la del medio a un pin digital del Arduino con una resistencia de 1kOhm en serie para transformar el voltaje del Arduino en corriente y la pata superior al cable negro de la bomba. Luego, el cable rojo de la bomba se conecta al voltaje positivo de las baterías.

Motores y blindaje: El blindaje necesita ser soldado, se envía sin soldar. Una vez hecho esto, se coloca en el Arduino recortando todos los encabezados del escudo en los pines del Arduino. El escudo se alimentará con las baterías y luego alimentará el Arduino si hay un puente encendido (pines naranjas en la figura). Tenga cuidado de no poner el puente cuando el Arduino esté alimentado por otro medio que no sea el escudo, ya que el Arduino alimentaría el escudo y podría quemar la conexión.

Protoboard: Ahora todos los componentes estarán soldados en el protoboard. El suelo de un soporte de pila, el Arduino, el controlador del motor y de todos los sensores se soldarán en una misma fila (en nuestra placa de pruebas, las filas tienen el mismo potencial). Luego, el cable negro del segundo soporte de pilotes se soldará en la misma fila que el rojo del primer soporte de pilotes cuyo suelo ya está soldado. A continuación, se soldará un cable en la misma fila que el cable rojo del segundo soporte de pila correspondiente a los dos en serie. Este cable se conectará a un extremo del interruptor y el otro extremo se conectará con un cable soldado en la placa de pruebas en una fila libre. A esta fila se soldará el cable rojo de la bomba y la alimentación del controlador del motor (el interruptor no está representado en la figura). Luego, los 5V del Arduino se soldarán en otra fila y el voltaje de alimentación de cada sensor se soldará en la misma fila. Intente soldar un puente en la placa de pruebas y un puente en el componente cuando sea posible para que pueda desconectarlos fácilmente y el ensamblaje de los componentes eléctricos sea más fácil.

Paso 5: PROGRAMACIÓN

Diagrama de flujo del programa:

El programa se ha mantenido bastante simple utilizando la noción de variables de estado. Como puede ver en el diagrama de flujo, estos estados también inducen una noción de prioridad. El robot verificará las condiciones en este orden:

1) En el estado 2: ¿Tiene la planta suficiente agua con la función nivel_humedad? Si el nivel de humedad medido por el higrómetro es inferior a 500, la bomba funcionará hasta que el nivel de humedad supere los 500. Cuando la planta tiene suficiente agua, el robot pasa al estado 3.

2) En el estado 3: Encuentre la dirección con más luz. En este estado, la planta tiene suficiente agua y necesita seguir la dirección con más luz evitando obstáculos. La función light_direction proporciona la dirección de los tres sensores de luz que reciben la mayor cantidad de luz. El robot entonces operará los motores para seguir esa dirección con la función follow_light. Si el nivel de luz está por encima de un cierto umbral (suficiente_luz), el robot se detiene para seguir la luz ya que tiene suficiente en esta posición (parar_motores). Para evitar obstáculos de menos de 15 cm mientras se sigue la luz, se ha implementado una función obstáculo para devolver la dirección del obstáculo. Para evitar correctamente los obstáculos se ha implementado la función evitar_obstáculos. Esta función hace funcionar el motor sabiendo dónde está el obstáculo.

Paso 6: MONTAJE

El montaje de este robot es bastante sencillo. La mayoría de los componentes están atornillados a la caja para asegurar que se mantengan en su lugar. Luego se rayan el soporte de pilotes, el depósito de agua y la bomba.

Paso 7: EXPERIMENTOS

Por lo general, cuando se construye un robot, las cosas no van bien. Se necesitan muchas pruebas, con los siguientes cambios, para obtener el resultado perfecto. ¡Aquí hay una exposición del proceso del robot de la planta!

El primer paso fue montar el robot con motores, Arduino, controlador de motor y sensores de luz con una placa de prototipos. El robot simplemente va en la dirección en la que midió la mayor cantidad de luz. Se decidió un umbral para detener al robot si tiene suficiente luz. Mientras el robot se deslizaba por el piso, agregamos papel abrasivo en las ruedas para simular un neumático.

Luego se agregaron los sensores afilados a la estructura para tratar de evitar obstáculos. Inicialmente, se colocaron dos sensores en la cara frontal, pero se agregó un tercero en el medio porque los sensores afilados tienen un ángulo de detección muy limitado. Por último, tenemos dos sensores en los extremos del robot detectando obstáculos a izquierda o derecha y uno en el medio para detectar si hay algún obstáculo en frente. Los obstáculos se detectan cuando el voltaje en el afilado supera un cierto valor correspondiente a una distancia de 15 cm al robot. Cuando el obstáculo está en un lado, el robot lo evita y cuando hay un obstáculo en el medio, el robot se detiene. Tenga en cuenta que los obstáculos debajo de los objetos punzantes no son detectables, por lo que los obstáculos deben tener una cierta altura para evitarlos.

Después de eso, se probaron la bomba y el higrómetro. La bomba envía agua siempre que el voltaje del higrómetro esté por debajo de un cierto valor correspondiente a una olla seca. Este valor se midió y determinó experimentalmente mediante pruebas con plantas en macetas secas y húmedas.

Finalmente todo fue probado en conjunto. La planta comprueba primero si tiene suficiente agua y luego comienza a seguir la luz evitando obstáculos.

Paso 8: PRUEBA FINAL

Aquí hay videos de cómo funciona finalmente el robot. ¡Espero que lo disfrutes!

Paso 9: ¿QUÉ HEMOS APRENDIDO CON ESTE PROYECTO?

Aunque la retroalimentación general de este proyecto es excelente porque aprendimos mucho, hemos estado bastante estresados al construirlo debido a los plazos.

Problemas encontrados

En nuestro caso, tuvimos varios problemas durante el proceso. Algunos de ellos eran fáciles de solucionar, por ejemplo cuando se retrasaba la entrega de los componentes solo buscamos tiendas en la ciudad donde pudiéramos comprarlos. Otros requieren pensar un poco más.

Desafortunadamente, no todos los problemas se resolvieron. Nuestra primera idea fue combinar las características de las mascotas y las plantas, sacando lo mejor de cada una. Para las plantas podríamos hacerlo, con este robot podremos tener una planta que decore nuestras casas y no tendremos que cuidarla. Pero para las mascotas, no encontramos una forma de simular la empresa que hacen. Pensamos en diferentes formas de hacer que siguiera a la gente, y comenzamos a implementar una, pero nos faltó tiempo para terminarla.

Futuras mejoras

Aunque nos hubiera encantado conseguir todo lo que queríamos, el aprendizaje con este proyecto ha sido increíble. Quizás con más tiempo podríamos conseguir un robot aún mejor. A continuación te proponemos algunas ideas para mejorar nuestro robot que quizás algunos de vosotros queréis probar:

- Adición de leds de diferentes colores (rojo, verde,…) que le indican al usuario cuándo debe cargarse el robot. La medición de la batería se puede hacer con un divisor de voltaje que tenga un voltaje máximo de 5V cuando la batería está completamente cargada para medir este voltaje con un Arduino. Luego se enciende el led correspondiente.

- Adición de un sensor de agua que le indica al usuario cuándo debe rellenarse el depósito de agua (sensor de altura del agua).

- Creación de una interfaz para que el robot pueda enviar mensajes al usuario.

Y obviamente, no podemos olvidarnos del objetivo de hacer que siga a las personas. Las mascotas son una de las cosas que más le gustan a la gente, y sería estupendo que alguien pudiera conseguir que el robot simule este comportamiento. Para facilitarlo, aquí vamos a aportar todo lo que tenemos.

Paso 10: ¿Cómo hacer que el robot siga a las personas?

Descubrimos que la mejor manera de hacerlo sería usando tres sensores ultrasónicos, un emisor y dos receptores.

Transmisor

Para el transmisor, nos gustaría tener un ciclo de trabajo del 50%. Para hacer esto, debe usar un temporizador 555, habíamos usado el NE555N. En la imagen, puede ver cómo se debe construir el circuito. Pero tendrá que agregar un capacitor adicional en la salida 3, 1µF por ejemplo. Las resistencias y los condensadores se calculan con las siguientes fórmulas: (imágenes 1 y 2)

Debido a que es deseable un ciclo de trabajo del 50%, t1 y t2 serán iguales entre sí. Entonces, con un transmisor de 40 kHz, t1 y t2 serán iguales a 1.25 * 10-5 s. Cuando se toma C1 = C2 = 1 nF, se pueden calcular R1 y R2. Tomamos R1 = 15 kΩ y R2 = 6.8 kΩ, ¡asegúrese de que R1> 2R2!

Cuando probamos esto en el circuito del osciloscopio, obtuvimos la siguiente señal. La escala es de 5 µs / div, por lo que la frecuencia en realidad será de unos 43 kHz. (Imagen 3)

Receptor

La señal de entrada del receptor será demasiado baja para que Arduino la procese con precisión, por lo que la señal de entrada debe amplificarse. Esto se hará haciendo un amplificador inversor.

Para el opamp, usamos un LM318N, que alimentamos con 0 V y 5 V del Arduino. Para hacer esto, tuvimos que elevar el voltaje alrededor de la señal que oscila. En este caso, será lógico subirlo a 2,5 V. Dado que la tensión de alimentación no es simétrica, también tenemos que colocar un condensador antes de la resistencia. De esta forma, también hemos realizado un filtro de paso alto. Con los valores que habíamos utilizado, la frecuencia debía ser superior a 23 kHz. Cuando usamos una amplificación de A = 56, la señal entraría en saturación, lo cual no es bueno, así que usamos A = 18 en su lugar. Esto seguirá siendo suficiente. (Imagen 4)

Ahora que tenemos una onda sinusal amplificada, necesitamos un valor constante para que Arduino pueda medirlo. Una forma de hacerlo es hacer un circuito detector de picos. De esta forma, podemos ver si el transmisor está más alejado del receptor o en un ángulo diferente al anterior al tener una señal constante que es proporcional a la intensidad de la señal recibida. Debido a que necesitamos un detector de picos de precisión, colocamos el diodo, 1N4148, en el seguidor de voltaje. Al hacerlo, no tenemos pérdida de diodo y creamos un diodo ideal. Para el opamp usamos el mismo que en la primera parte del circuito y con la misma fuente de alimentación, 0 V y 5V.

El condensador paralelo debe tener un valor alto, por lo que se descargará muy lentamente y todavía vemos el mismo valor pico que el valor real. La resistencia también se colocará en paralelo y no será demasiado baja, porque de lo contrario la descarga será mayor. En este caso, 1,5 µF y 56 kΩ son suficientes. (Imagen 5)

En la imagen se puede ver el circuito total. ¿Dónde está la salida, que irá al Arduino? Y la señal de CA de 40 kHz será el receptor, donde el otro extremo se conectará a tierra. (Imagen 6)

Como dijimos anteriormente, no pudimos integrar los sensores en el robot. Pero proporcionamos los videos de las pruebas para demostrar que el circuito funciona. En el primer video se puede ver la amplificación (después del primer OpAmp). Ya hay un desplazamiento de 2.5V en el osciloscopio, por lo que la señal está en el medio, la amplitud varía cuando los sensores cambian de dirección. Cuando los dos sensores están uno frente al otro, la amplitud del seno será mayor que cuando los sensores tienen un ángulo o distancia mayor entre ambos. En el segundo video (la salida del circuito), se puede ver la señal rectificada. Nuevamente, el voltaje total será más alto cuando los sensores estén uno frente al otro que cuando no lo estén. La señal no es completamente recta debido a la descarga del capacitor y debido a los voltios / div. Pudimos medir una señal constante que disminuía cuando el ángulo o la distancia entre los sensores ya no era óptima.

La idea era entonces hacer que el robot tuviera el receptor y el usuario el transmisor. El robot podía girar sobre sí mismo para detectar en qué dirección la intensidad era mayor y podía ir en esa dirección. Una mejor forma podría ser tener dos receptores y seguir el receptor que detecta el voltaje más alto y una forma aún mejor es poner tres receptores y colocarlos como el LDR para saber en qué direcciones se emite la señal del usuario (recta, izquierda o derecha).