Controlando el giro de los motores por puente H

Para controlar el giro de los motores DC en la implementación de la parte movil de un robot sea como seguidor , robot de laberinto o robots de combate necesitamos un puente de funcionamiento similar al puente rectificador de diodos de onda completa para convertir onda alterna a onda unipolar .
En este caso se presenta un sencillo circuito de control de potencia que con ordenes lógicas en sus entradas puede detener o hacer girar un motor y tambien ordenar su movimiento en reversa , esto se consigue mediante una combinación de 2 bits en la entrada.
El integrado L293D de 16 pines incluye cuatro circuitos para manejar cargas de potencia media, en especial pequeños motores y cargas inductivas, con la capacidad de controlar corriente hasta 600 mA en cada circuito y una tensión entre 4,5 V a 36 V.
Los circuitos individuales se pueden usar de manera independiente para controlar cargas de todo tipo y, en el caso de ser motores, manejar un único sentido de giro. Pero además, cualquiera de estos cuatro circuitos sirve para configurar la mitad de un puente H.
El integrado permite formar, entonces, dos puentes H completos, con los que se puede realizar el manejo de dos motores. En este caso el manejo será bidireccional, con frenado rápido y con posibilidad de implementar fácilmente el control de velocidad.

Las salidas tienen un diseño que permite el manejo directo de cargas inductivas tales como relés, solenoides, motores de corriente continua y motores por pasos, ya que incorpora internamente los diodos de protección de contracorriente para cargas inductivas.

Las entradas son compatibles con niveles de lógica TTL. Para lograr esto, incluso cuando se manejen motores de voltajes no compatibles con los niveles TTL, el chip tiene patas de alimentación separadas para la lógica (VCC2, que debe ser de 5V) y para la alimentación de la carga (VCC1, que puede ser entre 4,5V y 36V).
Aquí tenemos un ejemplo de circuito en forma de puente H (para control bidireccional del motor) y su tabla de manejo :


Para proveer un disipador las patas centrales de la cápsula del chip están pensadas para proveer el contacto térmico con un dispador que permitirá lograr la potencia máxima en el manejo del integrado. En la figuras que siguen se observa la distribución de pines afectados a esta disipación, el área de cobre que se deja en el circuito impreso por debajo y a los lados del chip, y el diseño del disipador que propone el fabricante. La hoja de datos aporta una curva que permite una variación de estos tamaños según la potencia a manejar.

Usando el dual opam 747

En la izquierda tenemos el dual opam LM747 de 14 patas , en este circuito un poco antiguo ya , se tienen 2 opam 741 , notar que las alimentaciones positivas para cada opams vienen separadas en caso de querer usar solo uno de los circuitos y no tener "encendido" en vano el otro , como todo opams , viene preparado para trabajar con fuente simetrica positiva y negativa , la entrada negativa -V es el pin 4 común a ambos opams , en caso de trabajar con fuente simple esta pata 4 se va a tierra del circuito y se crea una tierra virtual poniendo un divisor de tension en la entrada de los pines + de ambos opams .
En la siguuiente figura el circuito seguidor de linea negra se ha adaptado para ser implementado usando los opams del LM747 como comparadores

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En el caso de no encontrar el dual opam 747 se pueden usar dos operacionales 741 simples .Aquí el diagrama se ha modificado para usar los 741 como comparadores:

Caracteristicas de un motor para su aplicación en proyectos

Un motor tiene numerosas especificaciones, el significado y el propósito de algunas de ellas es obvio en otras no es asi. A continuación analizaremos algunas de ellas como el voltaje, la corriente absorbida, la velocidad y el torque, además se vera la relación que tienen estas magnitudes con el diseño del robot.

Voltaje : Todos los motores tienen un valor de voltaje de operación, con motores pequeños de CD a menudo este valor esta por los 1.5 a 6 V, algunos motores de CD de alta calidad son diseñados para un voltaje especifico que normalmente es de 12 V o 24 V, el tipo de motor que mas interesa en el diseño de robots son los de bajo voltaje, normalmente este va de 1,5 V a 12 V.

Un motor puede funcionar a voltajes mayores o menores que el especificado, lo único es que, si por ejemplo, tenemos un motor de 12 V y se le aplica 8 V , el motor correrá pero no a la velocidad y potencia para la cual fue diseñado, similarmente si se opera con valores superiores como 16 V el motor correrá con mayor velocidad y potencia, este ultimo fenómeno no es muy recomendable ya que puede causar que los bobinados se sobrecalienten y se origine un daño permanente en el motor.

Corriente absorbida : Esta magnitud corresponde a la cantidad de corriente en mA o A, que el motor requiere de la fuente de poder, esta especificación debe tomarse muy en cuenta cuando se considera el motor con carga. Esto quiere decir que si se tiene un motor sin carga se absorberá una determinada cantidad de corriente, pero si a este mismo motor se le aplica una carga esta corriente puede pasar a valores superiores del 300% o 500% de su valor sin carga.

Con la mayoría de motores de imán permanente, el cual es el tipo mas popular, la corriente absorbida aumenta con la carga. Cuando se manejan motores para un robot debe conocerse siempre el valor de la corriente absorbida bajo carga, la forma de probar efectivamente este valor es con un voltímetro el cual debe colocarse a una resistencia de prueba colocada entre un terminal de entrada del motor y la fuente de alimentación del motor, el valor de esta resistencia debe estar en el rango de 1 a 10 W (de 10 watts) y por medio de la ley de ohm, dividir el valor de la tensión obtenida entre el valor de R, este valor de corriente absorbida normalmente esta entre 200 y 400 mA.
Prueba para determinar el valor de la corriente absorbida en un motor , como la resistencia es de un ohm y el votaje es V=I R en el voltimetro se leera directamente la corriente que circula por el motor.


Velocidad : La velocidad rotacional de un motor esta dada en revoluciones por minuto (rpm), la mayoría de motores de CD tienen una velocidad normal de operación de 4000 a 7000 rpm, para aplicaciones en la robótica estas velocidades son muy grandes, es por eso que se recurre a circuitos electrónicos para poder regular esta velocidad a valores adecuados para el manejo de brazos y pinzas en un robot, cabe destacar que la velocidad de un motor cuando tiene una carga se reduce considerablemente, usando cierto tipo de controladores de motores estro se puede corregir, como se muestra en la figura:
Variación de la velocidad del motor con la carga.

En los motores de pasos la velocidad no esta dada en rpm sino que se da en pulsos ( o pasos ) por segundo, esta velocidad es función del numero de pasos requeridos para que se de una vuelta completa mas el numero de pasos aplicados al motor cada segundo.


Torque : Esta especificación consiste en la fuerza que el motor ejerce sobre la carga, si se reduce el torque el motor reducirá su potencia, si se reduce aun mas el motor demandara aun mas potencia de la normal, y se podrá dar un calentamiento que podrá ocasionar el daño del motor. Algunas veces el fabricante le facilita al usuario una gráfica en la que se detalla el torque en función de la velocidad, con carga y sin ella, la figura siguiente lo describe.

Variación del torque con la velocidad del motor.

Motores para pequeños proyectos

Los motores son los responsables del desplazamiento del robot. Uniendo un par de motores individualmente a un par de ruedas y este podrá movilizarse por alguna superficie. Uniendo un motor a un brazo mecánico, este podrá moverse hacia arriba o hacia abajo. Existen muchas clases de motores ,más o menos intentamos describirlos.
La fuente de voltaje continua como pilas y baterias y por tanto la corriente directa (CD) es usada como la principal fuente de poder del robot ya que son los encargados de operar las diversas tarjetas que constituyen al robot, operan también la apertura y cierre de los solenoides y por supuesto producen que se de el giro en los motores. Pocos robots usan motores diseñados para operar con AC,generalmente los de uso industrial , en algunos casos se usan sistemas que convierten la AC en CD para que esta ultima sea distribuida en los subsistemas del robot.
El motor de CD puede ser una buena elección a la hora de diseñar un robot, pero esto no quiere decir que sea la mejor opción en el diseño, se debe tener en cuenta también que el motor sea bidireccional es decir que pueda ser capaz de girar en uno u otro sentido , ya que son muy pocas las aplicaciones en las que se usan motores unidireccionales.

Los motores de CD pueden ser continuos o de pasos, en los continuos el eje tiene un movimiento continuo el cual solo puede ser detenido por desconectar la fuente de alimentación o por la colocación de una carga superior a la que puede manejar el motor en condiciones para las que fue hecho. Hay varios tipos de motores continuos, los de reluctancia variable, los de imán permanente y los híbridos, el mas usado en el área de la robótica son los de imán permanente.
Los motores de pasos poseen las característica de que pueden girar un determinado numero de grados por cada pulso eléctrico que se aplique a su unida de control. Los tamaños pueden ir desde menos de un grado hasta 15º o mas, una ventaja que posee este tipo de motores es su compatibilidad con los sistemas electrónicos digitales de esta manera se facilita lo que corresponde al control y manejo de esta clase de motores, los motores de pasos de imán permanente son los mas comunes y fáciles de usar.

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.