PROGRAMACIÓN DE ROBOTS LEGO MINDSTORMS

Pablo Iván Romero De La Rosa
Leodegario G. Aguilera Hernández
Orlando Meza Zaleta

INTRODUCCIÓN


¿Qué es LEGO-Mindstorms?


Imagina poder construir un robot completo, con sensores, motores, engranajes, reductoras, estructuras, poder programarlo y configurarlo, y todo sin soldar, taladrar, pegar o taladrar tornillos. Pues eso es LEGO-Mindstorms, una forma fácil y sencilla de aprender robótica y construir tu propio robot.
Lego Mindstorms es una plataforma para el diseño y desarrollo de robots, que sigue la filosofía de la marca LEGO, armar y construir todo tipo de objetos simplemente uniendo bloques interconectables. Pues eso es LEGO Mindstorms.
El bloque central es un microcontrolador, con forma de LEGO. La conexión de sensores y actuadores es muy sencilla, por simple presión en cualquiera de las puertas y en cualquier posición. Las piezas de Lego tienen múltiples formas y tamaños, lo que permite construir diversas estructuras, usando los bloques. Mediante un PC, se realiza la programación del controlador, usando diferentes programas y lenguajes.

¿Por qué usar LEGO-Mindstorms?


En este apartado se indicaran las principales ventajas y desventajas de utilizar LEGO - Mindstorms.

Ventajas:
-Fácil de montar y desmontar, no es necesario usar soldadura, ni tornillos. Todo lo que se arma se puede desarmar rápidamente. Además, eso permite usar las piezas en múltiples diseños.
-Muy extendido por todo el mundo, lo que permite encontrar gran cantidad de información e ideas por Internet, diseños, soluciones, participar en foros, competiciones.
-No es un pack cerrado, es decir, se puede comprar más ampliaciones de LEGO, adquirir piezas deterioradas o perdidas, o añadir piezas echas manualmente, como por ejemplo, sensores o motores, e incluso circuitos neumáticos.
-Múltiples posibilidades y lenguajes de programación, desde el nivel más básico e intuitivo, hasta el uso de lenguajes conocidos como C o Java, e incluso la utilización de Linux…
-Que sea escalable, es decir, que a partir de un material básico haya opciones de ampliación.
-Muy indicado para entornos educativos, desde colegios a universidades, pues se puede aprender de forma fácil tanto mecánica como electrónica.

Desventajas
-La principal desventaja de LEGO es su estructura. Está formada por bloques de LEGO, que se unen por simple presión. Cierto que se pueden añadir elementos de refuerzo y sujeción, pero para diseños exigentes, no es recomendable. Golpes, caídas, pueden debilitar rápidamente la estructura, llegando a desarmar el robot.
-No se pueden construir estructuras circulares, pues todas las piezas y ladridos de LEGO son rectangulares.
-Colocación de las baterías. Tanto en el NXT cómo en el RCX de LEGO, se alimentan mediante seis pilas AA R6, que deben ser colocadas dentro del controlador. Esto obliga a diseñar el robot con la necesidad de acceder directamente al bloque, para poder cambiar las pilas, limitando la construcción del robot.
-Relación masa-volumen. Las piezas LEGO no son útiles en diseños donde la relación masa-volumen se hace crítica. Por ejemplo, para construir un robot de SUMO, no sería eficiente, pues la estructura LEGO es demasiado liviana, y se deberían añadir pesos para hacer el robot más robusto, o el caso contrario, para construir robot pequeños, ligeros, y resistentes, las piezas LEGO son mucho peores que los materiales cómo la fibra de carbono.
-Precio. Obviamente, comprar un robot “prefabricado”, resulta más caro que construirte tu propio robot.

El NXT
El controlador NXT, es el objeto donde reside todo el control del robot. Para ello está compuesto por un microprocesador ARM-7 de 32 bits, el AT91SAM7S256 de Atmel. Este microprocesador de arquitectura RISC incluye 256 de memoria flash (no volátil), 64 kB (volátil) y una velocidad de funcionamiento de 48 MHz.
Tiene cuatro botones en la parte superior para utilizar los programas que tenga instalados, configurarlos y ejecutarlos. También puede visualizar en la pantalla el estado de los sensores o crear pequeños programas sin necesidad de utilizar el ordenador y programas adicionales. El botón de color naranja tiene como funciones el encendido (ON), la confirmación de acciones (Enter) y el comenzar (Start). Las flechas de color gris son para moverse por los menús y el rectángulo gris oscuro es para limpiar la pantalla (Clear) y volver atrás (Go back).

Transductores y Sensores:

Sensor:

Dispositivo sensible que utiliza un fenómeno físico o químico dependiente de la naturaleza y el valor de la magnitud físico química a medir, lo cual permite la transducción del estímulo a una señal utilizada directa o indirectamente como medida.
Como sabemos un sensor es un dispositivo capaz de detectar diferentes tipos de materiales, con el objetivo de mandar una señal y permitir que continúe un proceso.

Transductor:

Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro.
Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés. Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad).
Cualquier sensor o transductor necesita estar calibrado para ser útil como dispositivo de medida. La calibración es el procedimiento mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida.
Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo de la forma de la señal convertida.


Los dos tipos son:
Transductores analógicos: Proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide.
Transductores digitales: Producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos.

Sensores LEGO
Sensor táctil
El sensor táctil es un interruptor: puede presionarse o liberarse.

Sensor acústico
El sensor acústico detecta el nivel de decibeles: la suavidad o intensidad de un sonido. El sensor acústico detecta dB y dBA. dBA: sonidos que el oído humano es capaz de oír. dB: todos los sonidos existentes, incluyendo los sonidos demasiado altos o bajos para el oído humano.
El sensor acústico puede medir los niveles de presión acústica hasta 90 dB, cerca del nivel de una máquina cortacésped. Las lecturas del sensor acústico en el LEGO® MINDSTORMS® NXT se muestran en el porcentaje [%] de sonido que el sensor es capaz de leer. A modo de comparación, entre 4 y 5 % es similar a una sala en silencio y entre 5 y 10 % es cerca del nivel de alguien hablando a cierta distancia. De 10 a 30 % es una conversación normal cerca del sensor o música que se reproduce a un nivel normal y un nivel entre 30 y 100 % representa un intervalo desde personas gritando hasta música reproduciéndose a volúmenes altos. Estos intervalos se asumen a una distancia de 1 metro aproximadamente entre la fuente del sonido y el sensor acústico.
Sensor fotosensible
El sensor fotosensible le permite al robot distinguir entre luminosidad y oscuridad, para obtener la lectura de la intensidad de luminosidad en una habitación y para medir la intensidad de luminosidad sobre superficies de colores.
Sensor ultrasónico
El sensor ultrasónico le permite al robot ver y reconocer objetos, evitar obstáculos, medir distancias y detectar movimiento.
El sensor ultrasónico utiliza el mismo principio científico que los murciélagos: mide la distancia calculando el tiempo que demora una onda de sonido en golpear un objeto y volver, al igual que un eco.
El sensor ultrasónico mide la distancia en centímetros y pulgadas. Es capaz de medir distancias de 0 a 2,5 metros con una precisión de +/- 3 cm.
Objetos de gran tamaño con superficies duras proporcionan las mejores lecturas. Objetos hechos con telas suaves, con objetos curvados (por ejemplo una pelota) o con objetos muy delgados y pequeños pueden dificultar la obtención de lecturas del sensor.

Motores:

Motores ¿Para qué?

En numerosas ocasiones es necesario convertir la energía eléctrica en energía mecánica, esto se puede lograr, por ejemplo, usando los motores de corriente continua. Los usos más habituales pueden ser:

Principio de funcionamiento

Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje, esta última tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético, es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos, aquel tratará de buscar la nueva posición de equilibrio; manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular.

Motor de Corriente Continua

Motor que funciona con corriente eléctrica continúa. El campo magnético se crea en el inducido (rotor) y en el inductor (estator). Necesitan un colector en el rotor y escobillas para su alimentación eléctrica. Este tipo de motor fue el primero que se utilizó en la tracción de los vehículos eléctricos por la simplicidad de los sistemas de control de revoluciones. Tiene un elevado mantenimiento por el desgaste de las escobillas y de los colectores por el alto consumo de corriente que tienen. En los motores de alta potencia, su tamaño llega a ser muy voluminoso.
En lugar de un armazón con un núcleo de hierro y muchos bobinados, hay una única espira conductora cuadrada girando alrededor de un eje, el cual no se dibuja.
Servomotor LEGO
Los tres servomotores interactivos le proporcionan al robot la capacidad de moverse. El bloque Desplazar [Move] automáticamente alinea sus velocidades para que el robot se mueva suavemente.
Sensor de rotación integrado
Todos los servomotores interactivos disponen de un sensor de rotación integrado. La retroacción rotacional le permite al NXT controlar los movimientos de forma muy precisa. El sensor de rotación integrado mide las rotaciones del motor en grados (precisión de +/- un grado) o en rotaciones completas.
Una rotación son 360 grados, por lo tanto si configura el motor para que gire 180 grados, la pieza central de la rueda realizará medio giro.

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