Detector de proximidad por infrarrojos

Podemos implementar un sencillo detector de proximidad por infrarrojo para un carrito robot seguidor de linea o buscador de salida en un laberinto.
Se genera una ráfaga de pulsos con el LM555 a baja frecuencia y los transmitimos por el led infrarrojo de alta intensidad. En la figura vemos el conocido 555 en su configuración oscilador con su salida excitando al led transmisor.

Luego los recibimos en un fototransistor colocado de tal manera que solo los reciba cuando un objeto refleje los pulsos. De allí un par de transistores en configuración Darlington amplifican la señal de entrada para conseguir un pulso de bajada que dispare al monostable.
Luego procesamos esa señal para poder utilizarla en lo que deseamos , por ejemplo hacer una curva y regresar a la linea delantera para evadir obstaculos en un seguidor de linea ,tambien conmutar el giro de los motores para hacerlos retroceder antes de chocar ante una pared.
Cuando esta débil señal alcanza una intensidad suficiente, debido a que se acercó un objeto, entonces logra disparar un temporizador de unos 10 segundos construido con un LM555.Luego colocamos una interfase a transistor para alimentar un relé el cual nos servirá para controlar la secuencia que queramos.
Una posible implementacion del emisor receptor es la siguiente:

Carrito seguidor con 2 motorcitos de juguete

En la figura podemos ver como implementar la parte mecánica de un carrito para hacer un seguidor de luz , estamos usando 2 motorcitos tomados de juguetes usados dispuestos en forma independiente para cada rueda posterior , estos motores pueden funcionar desde 1.5 v hasta 4,5 voltios sin mayor problema ,más aún cuando se le dá un funcionamiento intermitente.
Como sabemos el circuito electrónico de control actua de acuerdo a lo que determine las celdas fotoelectricas o un par de optoacopladores en la parte delantera , estos deben seguir una linea , blanca o negra según sea el circuito .En un estado ideal , si la linea a seguir fuera blanca , cuando los dos sensores ven "negro" los dos motores funcionan y el carrito avanza en linea recta , pero al encontrar una curva , un sensor "ve" negro y el otro blanco , entonces el sensor que ve blanco apaga su correspondiente motor para que el carrito tome una curva e intente seguir la linea en el sentido deseado

Sensores para Robótica

Los sensores constituyen el sistema de percepción del robot. Esto es, facilitan la información del mundo real para que los robots la interpreten.
Los más utilizados son:
Sensor de proximidad: Detecta la presencia de un objeto de tipo metálico o de otro tipo.

Sensor de Temperatura: Capta la temperatura del ambiente, de un objeto o de un punto determinado.

Sensores magnéticos (brújula digital): Capta la variación de campos magnéticos. Entre sus aplicaciones está la orientación de robots autónomos, exploradores, etc.

Sensores táctiles, piel robótica: Sirven para detectar la forma y el tamaño de los objetos que el robot manipula. La piel robótica se trata de un conjunto de sensores de presión montados sobre una superficie flexible.

Sensores de iluminación: Capta la intensidad luminosa, el color de los objetos, etc. Es muy útil para la identificación de objetos. Es parte de la visión artificial y en numerosas ocasiones son cámaras.

Sensores de velocidad, de vibración (Acelerómetro) y de inclinación: Se emplean para determinar la velocidad de actuación de las distintas partes móviles del propio robot o cuando se produce una vibración. También se detecta la inclinación a la que se encuentra con respecto a la gravedad el robot o una parte de él.El acelerometro, de eje duplo capaz de medir la aceleración dinámica (vibración) y la aceleración estática (gravedad) con un rango de ±2 g.

Sensores de presión: Permiten controlar la presión que ejerce la mano del robot al coger un objeto.

Sensores de sonido: Se trata de un micrófono con el que poder oír los sonidos.

Microinterruptores: Se trata de múltiples interruptores y finales de carrera muy utilizados.

Robótica : Motores Servo

Una de las palabras más encontradas por los recien iniciados en Robótica es la palabra Servo , muchas veces obviando a que se refiere a un tipo de motor.
Entonces vendría la pregunta : ¿ qué es un servo?
Un servo es un pequeño motor asociado a otros dispositivos que tiene un eje de salida. Este eje puede estar situado en posiciones angulares exactas mediante el envío de una señal codificada. Mientras la señal codificada existe en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del eje. Cuando la señal codificada cambie, la posición angular del eje tambien lo hará.
En la práctica, los servos se utilizan en los aviones de radio control manejando posiciones como las de los elevadores y timones. También se utilizan en los coches de radio control y por supuesto, robots.

Apariencia de un motor servo Futaba S-148

Los servos son sumamente útiles en robótica. Los motores son pequeños, como se puede ver por la imagen de arriba, se han construido con los circuitos de control, y son extremadamente potentes para su tamaño . Un servo estándar tales como la Futaba S-148 tiene 42 oz / pulgadas de torque o par mecánico, que es bastante fuerte para su tamaño. También la potencia es proporcional a la carga.
Un servo motor desmontado se muestra en la imagen siguiente se pueden ver los circuitos de control, el motor, un conjunto de engranajes reductores, y el casco. También se pueden ver los 3 cables que lo conectan con el mundo exterior.Estos son la tensión de alimentación (+5 V), tierra o 0 voltios, y el cable blanco que es el alambre de control.

Entonces, ¿cómo trabaja un servo ? El servo motor tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro que está conectado mecanicamente a la salida del eje. Esto permite a los circuitos de control supervisar el ángulo actual del servo motor. Si se encuentra en el ángulo correcto, entonces el motor se apaga.. Si el circuito encuentra que el ángulo no es correcto, hace que el motor gire a la dirección correcta hasta encontrar el punto correcto. El eje de salida del servo es capaz de girar alrededor de 180 grados esto es la norma aunque algunos llegan a girar 210 grados.
Un servo normal se utiliza para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecánicamente capaz de desplazarse más lejos debido a una traba mecánica construida en la salida principal de los engranajes.
La cantidad de energía aplicada al motor es proporcional a la distancia que necesita para viajar.Por lo tanto, si el árbol ( parte mecanica movida por el eje ) necesita su vez una gran distancia, el motor funcionará a toda velocidad. Si es necesario sólo una pequeña cantidad, el motor funcionará a una velocidad más lenta. Esto se llama control proporcional.
¿Cómo comunicar el ángulo en el que el servo se encuentra? El cable de control se utiliza para comunicar el ángulo. El ángulo es determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control . Esto se llama modulación de pulsos codificados. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La duración del pulso determinará hasta qué punto el motor gira.
Un pulso de 1,5 milisegundos, por ejemplo, hará que el motor gire a la posición de 90 grados (a menudo llamado la posición neutra). Si el pulso es de menos de 1,5 ms, entonces el motor llevará su posición a cerca de 0 grados. Si el pulso es más largo que 1.5 ms, el eje gira a 180 grados.

Como se puede ver en la imagen, la duración del pulso determina el ángulo del eje de salida (que se muestra como el círculo verde con la flecha).Tenga en cuenta que los tiempos aquí son ilustrativos, y los tiempos reales dependen de la fabricante de motor. El principio, sin embargo, es el mismo.

El CNY70 Optoacoplador

El CNY70 tiene forma de un cubo y cuatro patitas , en su interior tiene un diodo emisor de infrarrojos que trabaja a una longitud de onda de 950 nm. y un fototransistor (receptor) estando ambos dispuestos en paralelo y apuntando ambos en la misma dirección ,es decir el fototransistor no recibe la luz directa del led sinó el reflejo sobre una superficie, la distancia entre emisor y receptor es de 2.8 mm. y están separados del frontal del encapsulado por 1 mm.
El CNY70 es un sensor de infrarrojos reflexivo con emisor y receptor en el mismo encapsulado. La distancia óptima de medida se encuentra dentro del rango 0-5mm, lo que obligará a que esté muy cerca del suelo.El circuito eléctrico implementado indicando su polarización para los 5 voltios de norma se muestra en la figura

Sin embargo el funcionamiento no es lo digital que quisieramos sinó analógico , es decir el fototransistor conducirá mas, contra mas luz reflejada del emisor capte por su base , la salida de este dispositivo es analógica y viene determinada por la cantidad de luz reflejada, para cuadrar esto en forma de tener una salida digital se podría poner un disparador Trigger Schmitt pero esto tiene un problema, y es que no es posible ajustar la sensibilidad del dispositivo y los puntos de activación de histerisis distarian algunos milivoltios uno del otro
Para resolver este problema se puede usar un circuito basado en un comparador,pudiendo utilizar desde un humilde opam 741 hasta los actuales con entrada cmos en la salida del circuito obtendremos una señal cuadrada lista para su aplicación digital.

Como comparador la sensibilidad del circuito es ajustable mediante la resistencia variable de 10k para determinar el punto de cambio de estado , para comprobar y monitorear la señal de salida es posible montar un diodo led en la salida con su resistencia de polarización a tierra unos 330 ohmios, cuando el sensor detecta una superficie blanca o reflectante el led se ilumina ya que la salida del opam pasa a nivel alto ,en "negro " el led está apagado.
La salida del LM358 mostrado en este esquema varia de 0V para nivel lógico 0 a unos 3,3V para nivel lógico 1, con lo que puede ser llevada directamente a un disparador trigger schmitt como el 74LS14 para conformar pulsos de niveles TTL de 0 a 5V si fuese necesario .

Motores de corriente continua en Robótica

Cuando necesitamos un motor para aplicaciones simples de robótica,se deben considerar factores como son la velocidad, el par, el frenado, la inercia y el modo de control.
Si lo que queremos es utilizar un motor de corriente continua, por simplicidad o tambien por motivos de costo, los más económicos son los que se utilizan en algunos juguetes, pero tienen el inconveniente de que su número de revoluciones por segundo (RPS) es muy elevado, lo que no los hace muy apropiados para la construcción de un seguidor de línea, si es que no se utilizan reductores adicionales o un sistema de regulación electrónico o modulación por ancho de pulso ,cosa que se puede hacer con un 555 como disparador en astable y un monostable para fijar un pulso fijo .
Hay motores de corriente continua con reductores o sistemas reductores mecánicos para acoplar a los motores , es decir un sistema de engranajes que va disminuyendo la velocidad del eje pero aumentando el torque, dandole más potencia al carrito a construir para mover su circuiteria y la fuente de alimentación que tienen un peso significativo , sobre todo las pila o baterias.
En las páginas americanas o europeas se recomienda dede el inicio un servomotor o un motor de control paso a paso para la construcción de el carrito movil a utilizar en Robotica , si bien es lo ideal por la facilidad de conseguir programar su funcionamiento con PIC la realidad en muchos paises o localidades es su alto precio o la necesidad de importarlos.
Sin embargo para iniciar a un alumno en edad escolar o para primer proyecto de un aficionado podemos mas o menos evitar la reducción por engranaje de las reductoras mecanícas por el sistema de trasmisión por banda , aquí la relación de velocidad angular y por tanto la velocidad lineal o tangencial en el borde del disco que es lo que se aplica al piso está en relación con el radio de los discos , lo que mostramos en las siguientes fotos es como utizar un motorcito de una pequeña grabadora o walkman descartado con su respectiva banda de transmisión elastica para mover directamente el eje de la rueda del carrito , la solución no es la mas recomendable pero funciona siempre y cuando el peso no sea excesivo.

En esta secuencia el motor es de una grabadora mas grande que funciona a 9 voltios sin embargo el procedimiento es el mismo , usar una banda elástica de transmisión para grabadoras de cassetes ( ahora muy poco usadas ) para transmitir la rotación del eje del motor hacia la rueda.

Robótica : El fototransistor

Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.
En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.
Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión, también, dentro de sus características de elemento optoelectrónico, el fototransistor conduce más o menos corriente de colector cuando incide más o menos luz sobre sus junturas.
Los fototransistores reaccionan más rápidamente y son mucho más sensitivos que las simples celdas fotoresistivas , estas tienen una inercia que retarda la desactivación de luz y por tanto produce un error en la desactivación o activación del motor que se le ha asignado ,sin embargo este sensor solamente no es muy fiable. Aunque sea útil para detectar la luz que le incide, deba ser calibrado para cada diverso ambiente de la iluminación a el cual se sujete.


El fototransistor es muy sensible a la luz, y se debe blindar cuidadosamente.Debido a que existe un factor de amplificación de por medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz. Sugerimos el usar una tubería negra .
Tambien se encuentran pares de fototransistor/LED. Esto es útil para detectar diferencias en color, tal como las líneas en el, o los diversos colores de bolas cuando se usa un brazo robótico. Esta técnica necesita de buena calibración para ser confiable. Blindar el fototransistor muy bien.



Una forma de preparalo para las superficies a detectar es con el uso de un comparador , es necesario porque la luz ambiente influye tambien en la lectura y el paso de blanco a oscuro debe hacer se teniendo en cuenta este factor , un circuito en el que se emplea un comparador referido a una tensión de referencia fijada por el potenciometro es el siguiente :

Robótica : Sensores de luz

Los sensores que usamos en una configuración elemental para robótica son las llamadas fotoresistencias ( resistencias que varian de acuerdo a la luz que incida en ellas ), considerando que cuando estan cubiertas o no reciben luz su resistencia es muy alta del rango de muchos kilohms , pero al recibir luz su valor puede bajar hasta unos cientos de ohmios de acuerdo a la intensidad y color de luz.
Su apariencia es la siguiente :
En un carrito seguidor básico las usamos para realizar la detección de una linea entre blanco y negro , aplicando el cambio en resistencia dependiente de luz para una activación directa ( no recomendable por la región de incertidumbre ). Las comparaciones de voltaje mas confiables son usando comparadores integrados como el LM 339 (quad comparador ) o tambien con el OP-AMP LM324 que tiene 4 opamps en un solo chip. Las señales recibidas por las fotoresistencias son emitidas por LEDs de alta intensidad.

El conjunto de sensores funcionan como sigue : tenemos los LEDs, estos se encuentran en serie con resistencias a GND de 220 Ohms a 5V, para limitar la corriente. Los LEDs están emitiendo luz continua, dependiendo de la intensidad de luz reflejada por la línea blanca y el piso negro, las fotoresistencias varian su resistencia.
Las fotoresistencias están en configuración de divisor de voltaje con un potenciometro, esto es para ajustar el valor en el cual el comparador qe se escoga mandará a su salida un 0 lógico(0-0.8V) o un 1 lógico(3.7-5V) dependiendo del color reflejado.Calculamos en el divisor de Voltaje
Vout = Vin (R2 / R1 + R2)
R1 es la resistencia de las fotoresistencias(conectado a V+)
R2 es la resistencia de los potenciometros(conectado a tierra)

Estas salidas las usamos para conectar o desconectar motores . Su colocación física en un carrito seguidor de linea sería como se vé en la figura , para uno de los fotoresistores , con el led de alto brillo a su lado:

Robótica : motores con reducción

Los motores de corriente continua que usamos son actuadores muy potentes que giran a demasiada velocidad como para poder utilizarlos en muchas aplicaciones robóticas. Por esa razón se emplean los reductores, habitualmente basados en engranes (tambien llamados engranajes).
Gracias a los engranajes podemos reducir la velocidad de los motores e incrementar el torque del motor (su "fuerza" en la concepción popular del térmimo).
Esto nos permite actuar elementos pesados como la carga del carrito , tambien y con mayor requerimiento en el caso de los brazos robóticos, con una reducción suficientemente elevada y fiable un pequeño motor podría mover cualquier peso, sacrificando por supuesto velocidad de giro.
Para potencias bajas se utilizan moto-reductores que son equipos formados por un motor eléctrico y un conjunto reductor integrado.Para potencias mayores se utilizan equipos reductores separados del motor. Los reductores consisten en pares de engranajes con gran diferencia de diámetros, de esta forma el engrane de menor diámetro debe dar muchas vueltas para que el de diámetro mayor de una vuelta, de esta forma se reduce la velocidad de giro.

Para obtener grandes reducciones se repite este proceso colocando varios pares de engranes conectados uno a continuación del otro. Para el caso de los motorcitos que mueven las ruedas del carrito seguidor estas no podrían conectarse directamente como eje de las ruedas porque estas derraparian o resbalarian justo por la falta de torque ; a pesar de su gran velocidad girarian en su propio sitio o lo peor no girarian ; pudiendo dañarse por sobrecalentamiento , por eso es necesario agregarle un conjunto de engranajes reductores como se aprecia en la siguiente foto de un carrito seguidor :

Robótica : Seguidores de linea

¿Qué es un Robot Sigue Línea?
Los robots seguidores de línea (o robots rastreadores de linea) son considerados como el primer paso en el mundo de la robótica. Son robots muy sencillos, que cumplen una única misión: seguir una línea marcada en el suelo (normalmente una línea negra sobre un fondo blanco).
Como tarea de inicio en Robótica intentaremos construir un robot lo más simple posible.Se trata de construir un robot (carrito) que siga la trayectoria de una fuente de luz, de manera que si este foco se interrumpe, el robot dejará de desplazarse hacia delante y empezará a buscar el foco de luz nuevamente,para esto necesitamos de un vehículo accionado por dos ruedas accionadas por motores.
En el principio básico necesitamos mínimo dos sensores de luz (fotoresistencias , fototransistores) y dos o mas fuentes de luz (foquitos , leds ) cada sensor de luz debe captar oscuridad o reflejo de una superficie blanca.
El robot estará compuesto de un circuito que podremos hacer fácilmente con una placa pre perforada o haciendo un circuito impreso , es importante indicar que se deberá construir dos circuitos exactamente iguales : uno para cada sensor-motor (rueda) e irán cruzados .El sensor izquierdo actuara sobre el motor derecho y el sensor derecho sobre el motor izquierdo ,un diagrama explicaría mejor esta conexión.


Los motores deben ser de corriente continua , en nuestro caso tomados de carritos de juguete que traen engranajes reductores de velocidad para mover las ruedas, las rueditas pueden tomarse del mismo carrito de juguete . Los sensores van paralelos al suelo y a unos 2 o 3 mm de separación desde el suelo a la superficie del sensor , la separación entre ambos sensores será para que quede dentro de la línea negra que vayamos a usar como trayectoria.
Suponiendo que el seguidor debe detectar una linea negra como es la mayoria de circuitos propuestos en la red , cuando tenga los dos sensores viendo blanco (con la linea negra entre ellos) los 2 motores estarán en marcha con lo que el robot avanzara en línea recta, cuando llega a una curva y supongamos que el sensor izquierdo sale de la línea negra entonces provocara que el motor del lado contrario (motor derecho) se desactiva con lo cual el robot girara a derecha entrando de este modo en la línea negra otra vez , para el caso contrario pasa lo mismo pero con el otro motor y sensor.
Información sobre esto es muy abundante en internet , la mayor parte basada en microcontroladores debido a que las nuevas generaciones de electrónicos basan su formación en ellos dejando de lado transistores y circuitos electrónicos digitales TTL o CMOS.
Para este post usaremos la lógica mas simple que podamos mostrar, intentaremos hacer un seguidor de trayectoria utilizando solo un fotoresistor (en Lima Perú se encuentran por S/1 un sol ,más o menos 0.30 centavos de dolar ) un foquito de linterna para mayor simplicidad si no se sabe usar leds , un transistor de potencia con disipador de calor y dos motorcitos (en la "cachina" de Lima se encuentran muchos carritos de juguetes malogrados buenos para este fin ), no olvidar los diodos de protección en reversa para los picos inversos.
En este tipo de diseño una de las ruedas estará accionada siempre mientras que la otra se activará o desactivará de acuerdo a que la LDR (fotoresistencia) no reciba luz o la reciba por reflejo.
Cuando iluminamos la fotorresistencia (LDR) por el reflejo de zona blanca el transistor conduce, accionando el motor de su rueda. En este caso, estarán en funcionamiento los dos motores y pero el motor controlado por el transistor tiene mayor voltaje que el otro y hará un giro en la dirección que se le ha asignado el robot irá en sentido contrario. Un circuito muy sencillo sería este:

Aqui la zona central seria blanca mientras que la de afuera es negra , el motor que tiene solo una pila la lleva hacia el centro mientras que cuando el fotoresistor ve blanco se vá hacia afuera . En el video adjunto la zona central es negra por tanto se debe invertir la conexion del sensor usando una resistencia referida a tierra y tomar el divisor de voltaje . En este proyecto como solo vamos a usar un fotoresistor no podemos usar una linea , el robot deberá distinguir solo blanco o negro es decir deberá ir por los bordes de una superficie cerrada curva cuya parte interior será negra como se verá en el video adjunto si aprecian el movimiento del robot la rueda que está permanente conectada es la derecha intentando llevar al robot hacia la izquierda , pero este motor tiene solo una pila y tiende a llevar al robot hacia la zona negra . Para este diseño el motor izquierdo deberá activarse cuando el fotoresistor "vea" negro y apagarse cuando entre a la zona blanca, pero para salir "con fuerza" de la zona oscura este motor lleva dos pilas que lo hacen salir hacia la izquierda debido a tener el doble de velocidad debido al mayor voltaje de alimentación , al salir y encontrar zona blanca el motor se apaga regresando nuevamente a la zona oscura y "rebotando " nuevamente , como se verá el movimiento es oscilante pero se podria afinar reduciendo la velocidad de este motor . Sin embargo es un circuito bastante sencillo que nos permite entender el principio de los seguidores de luz , en este caso análogos , el prototipo original tiene más o menos esta apariencia :

Un video explicará mas o menos el comportamiento de este ultrasimple robot: