ROBOT Jugador de Futbol

Universidad Politécnica de Aguascalientes

ROBOT JUGADOR DE FÚTBOLIngeniería

Mecatrónica

Diseño Mecatrónico Reporte MTR08C

REPORTE PROYECTO FINAL

ROBOT JUGADOR DE FÚTBOL

08 Agosto 2012

H. Bastidas Peregrinas, N. Gutiérrez Campos, L. Lizarán Gómez, J. de J. Pérez Romo

DISEÑO MECATRÓNICO IUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE AGUASCALIENTES

INGENIERÍA MECATRÓNICA

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CONTENIDO

RESUMEN EJECUTIVO...........................................................................................................................4

1. INTRODUCCIÓN...........................................................................................................................5

2. MISIÓN..........................................................................................................................................6

3. VISIÓN...........................................................................................................................................6

4. ALCANCES Y LIMITACIONES.....................................................................................................6

5. OBJETIVOS..................................................................................................................................6

6. ANTECEDENTES A DISEÑOS PREVIOS....................................................................................7

ROBOCUP INITIATIVE Y FEDERATION OF INTERNATIONAL ROBOT SOCCER ASSOCIATION................................7CATEGORÍA MIROSOFT................................................................................................................................8

7. INVESTIGACIÓN DE COMPONENTES.......................................................................................9

8. LOCALIZACIÓN..........................................................................................................................13

9. PROCESO DE FABRICACIÓN...................................................................................................15

10. MEMORIA DE CÁLCULO...........................................................................................................16

11. DISEÑO MECÁNICO..................................................................................................................18

PRESUPUESTO.....................................................................................................................................23

CONCLUSIÓN........................................................................................................................................24

bibliografía...............................................................................................................................................25

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RESUMEN EJECUTIVOEn este documento se muestra el diseño de un robot de futbol, se muestra las etapas de diseño, fabricación y construcción de un robot de futbol. Las especificaciones de cada una de las dimensiones del diseño, del material utilizado y cotizaciones.

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1. INTRODUCCIÓN

Actualmente, el futbol es un deporte que juega un rol prominente en la sociedad de hoy, no es común pensar en él como un juego que pueda ser jugado por robots. El fútbol robótico es una actividad que se ha venido realizando desde hace un tiempo atrás en algunos países del mundo.

El objetivo principal de la competición RoboCup es el juego de fútbol, donde los objetivos de investigación se refieren a los sistemas cooperativos multi-robot y de múltiples agentes en entornos dinámicos de confrontación. Todos los robots en esta liga son totalmente autónomas.

Los juegos también sirven como una gran oportunidad para educar y entretener al público en torno a temas de ciencia y tecnología.

La Small Size League o la liga F180 como es también conocida, es una de las más antiguas ligas de fútbol de RoboCup. Se centra en el problema de la cooperación multi-robot/agent inteligente y el control en un ambiente altamente dinámico con un sistema híbrido centralizado / distribuido.

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2. MISIÓNDiseñar un robot que cumpla con las especificaciones técnicas y físicas, y reglas de la Robocup Small Size League 2012, y que sea capaz de sostener un partido de futbol con un rival de características similares, o bien, que pueda interactuar con otros robots y desarrollar tareas conjuntas como un equipo y jugar en contra de otro.

3. VISIÓNParticipar de forma notable y representar a nuestra Universidad y Estado en competencias Nacionales e Internacionales, así como abrir la posibilidad de participar en alguna de las otras categorías reguladas por la Robocup Soccer. Marcar un referente para futuros diseños en este ámbito, y crearse una imagen respetable para los rivales.

4. ALCANCES Y LIMITACIONES Se diseñará una sola unidad para su fabricación en masa. Se establecerá la comunicación necesaria para un equipo de tres jugadores y de tres

rivales. Se apegará lo más cercano posible a las condiciones de juego de la Soccer Robocup. La batería del robot alcanzara el tiempo que dure un encuentro.

5. OBJETIVOS1. Crear un diseño innovador sin despegarse de los lineamientos de Robocup Small Size.2. Emplear materiales y procesos sustentables con el menor grado de impacto ambiental

posible.3. Idear un diseño flexible que pueda adaptarse a diferentes circunstancias durante el juego.4. Aplicar la mejora continua en cada etapa del diseño.5. Adaptar el prototipo en dos modos de operación, individual y en equipo.6. Implementar un sistema de control autónomo con la menor participación posible de

personal.7. Realizar las pruebas necesarias para asegurar el correcto funcionamiento del sistema

Prever un sistema de mantenimiento preventivo practico y accesible.

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8. Escatimar costos basados en estudios y cuidar la factibilidad y sostenibilidad del proyecto, de tal manera que pueda comercializarse.

9. Realizar la menor cantidad de retrabajos y rediseños posibles.10.Apegarse al cronograma propuesto para el desarrollo del proyecto.

6. ANTECEDENTES A DISEÑOS PREVIOS

RoboCup Initiative y Federation of International Robot Soccer Association

La asociación tiene como principal objetivo el promover el desarrollo en temas de robótica a través de un problema estándar en donde una amplia gama de tecnologías pueden ser aplicadas e integradas. Dicho problemas estándar es el fútbol, el cual es usado simplemente como excusa en la búsqueda de producir innovaciones que se apliquen en la resolución de importantes problemas sociales e industriales.

Un ejemplo de esto es el proyecto RobotCup Rescue [RoboCup2004b] de la RoboCup, cuyo propósito es precisamente, la aplicación de tecnologías desarrolladas para búsqueda y rescate en desastres a gran escala. Dentro de dichas tecnologías se incluyen: agentes inteligentes, colaboración multi-agente, razonamiento en tiempo real, sensado, estrategia y control, etc.

La RoboCup por su parte, es famosa por tener la meta de “para el año 2050 desarrollar un equipo completo de robots humanoides autónomos que pueden derrotar al reciente equipo humano campeón del mundo bajo las reglas de la FIFA.

Figura 1. Ejemplo de Robot FIFA.

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Categoría Mirosoft

Categoría en la que compiten robots reales, mientras que la SimuroSot, es una categoría simulada que, supuestamente está basada en la mencionada categoría real.

A diferencia de la categoría real como en la simulada, consta de cinco jugadores por equipo. A pesar de que cada una de estas dos ligas (la Middle League MiroSoft y la Middle League SimuroSot) posee reglamentos independientes, éstos son similares en lo que al juego en sí se refiere. Por eso, en lo que queda del capítulo no se hará distinción alguna entre las categorías a menos que se indique explícitamente.

Características.

Como se expuso anteriormente, cada equipo está formado por cinco jugadores, cuyas dimensiones máximas son de 7.5 cm x 7.5 cm x 7.5 cm. En la gran mayoría de los casos los robots jugadores son de forma cúbica, a excepción de una pequeña ranura que pueden poseer en su parte frontal para un mejor dominio de la pelota. A sí mismo, en la categoría real está permitido dotar a los robots de brazos, piernas, etc., lo que es muy poco común ya que éstos deben estar contenido dentro de los límites del robot, complicando así su construcción debido al poco espacio disponible.

Finalmente, para el movimiento de los robots, se cuenta con dos ruedas ubicadas en los costados del mismo, las cuales son controladas de manera independiente.

Campo del Juego.

El campo del juego mide 220 cm x 180 cm con arcos de 40 cm de ancho, y está delimitado por paredes verticales de 5 cm, las cuales restringen a la pelota para que esta permanezca dentro de la cancha. El juego se desarrolla con una pelota de golf de color naranja de 2.1 cm de radio aproximadamente.

Categoría Real.

Cada equipo controla sus robots mediante una computadora, la cual a través de señales de radiofrecuencia o infrarrojo, le envía comandos a los mismos. En cuanto al sensado, está permitida la ubicación de una cámara de video por equipo, colocada más o menos dos metros por encima del terreno de juego. Si bien los robots pueden tener sensores propios, resulta

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poco práctico debido al pequeño tamaño de los mismos, siendo entonces la cámara de video el único sensor por equipo.

Categoría Simulada.

Las exactas posiciones y rotaciones de todos los robots así como también la posición de la pelota, son enviadas directamente como datos a la estrategia.

A los efectos de permitir la identificación de las posiciones y orientaciones de los robots que encuentran la cancha, cada robot debe poseer en su parte superior una región que incluya parche de 3.5 cm x 3.5 cm, del color correspondiente al color del equipo (amarillo o azul).

Además, reglamento permite la inclusión de otras regiones en la parte superior del robot a los efectos poderlo identificar individualmente, obviamente estos sujeto a ciertas restricciones. En la categoría simulada, en todo momento se dispone de la identificación individual de cada robot.

Figura 2. Categoría simulada.

7. INVESTIGACIÓN DE COMPONENTES

Microcontrolador. Circuito Integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

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Figura 3. Microcontrolador PIC18F4550

Pulsadores. Dispositivos que permiten introducir un nivel lógico en el momento que se les acciona pasando al nivel contrario cuando se deja de hacerlo y vuelven a la posición de reposo.

Figura 4. Pulsadores Activados por Nivel Bajo.

Figura 5. Pulsadores Activados Por Nivel Alto.

Interruptores. Los interruptores tienen dos estados estables abierto o cerrado y hay que accionarlos para cambiar de uno a otro.

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Figura 6. Interruptores Activados Por Nivel Bajo.

Figura 7. Interruptores Activados Por Nivel Alto.

Circuito Anti-Rebotes. Los rebotes se producen en el instante en que se abren o se cierran las láminas metálicas del interruptor o pulsador. Hay un momento de inestabilidad en el que, aunque sólo se haya accionado el dispositivo una vez, las láminas se abren y se cierran múltiples veces en el momento de la transición.

Los rebotes duran varios milisegundos y como el microprocesador explora el estado de la línea de entrada cada pocos milisegundos, el efecto que produce es como si se hubiese abierto y cerrado el interruptor varias veces. Las consecuencias de esta falsa interpretación pueden provocar resultados erróneos.

Figura 8. Circuitos Anti-Rebotes.

Modulo Zigbee. ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radiodifusión digital de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (wireless personal area network, WPAN). Su objetivo son las aplicaciones que requieren

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comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías.

Figura 9. Modulo Zigbee.

Sensor de Proximidad: El sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor.

Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los interruptores de posición, los detectores capacitivos, los inductivos y los fotoeléctricos, como el de infrarrojos.

Figura 10. Sensor de Proximidad.

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Servomotor: Un servomotor (también llamado servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición.

Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser controlado, tanto en velocidad como en posición.

Figura 11. Servomotor.

8. LOCALIZACIÓN

El robot estara desplazandose sobre la superficie mostrada en la figura 12. La figura 13 nos muestra el panorama del controlador y de los jugadores.

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Figura 12. Dimensiones del Campo de Juego.

Figura 13. Panorama del Sistema de Comunicación.

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9. PROCESO DE FABRICACIÓNEn este apartado se detalla el proceso de construcción/fabricación de las distintas estructuras y piezas que conforman el robot.

Para obtener las piezas de aluminio que forman parte de la estructura inferior y la estructura del asa se parte de piezas de perfiles rectangulares y cuadrados de 6m de longitud, las cuales se cortan a la distancia que se necesita dependiendo de la pieza a fabricar y se realizan los agujeros necesarios mediante un taladro o los rebajos necesarios mediante una sierra.

Piezas de unión Se han utilizado tres piezas de unión distintas: 4 de perfil cuadrado, 10 de perfil en forma de T y 4 de perfil en L de ancho = 20mm . Todas ellas realizan la unión con la ayuda de los remaches.

Pieza de soporte del motor Para unir esta pieza con la pieza de soporte de la rueda giratoria se han utilizado remaches. Se ha optado por hacer tres oberturas en la superficie superior de la pieza de dimensiones adecuadas para que se pueda introducir la cabeza de la remachadora, de forma que esta llegue a la superficie inferior de la pieza. También hay tres agujeros más en la superficie inferior centrados en los tres agujeros anteriores, esta vez, pero sus dimensiones son inferiores, de las medidas de los remaches. De esta forma ya no existen problemas para realizar la unión con los remaches. Además en sus extremos hay cuatro agujeros más, para unirla con las piezas de soporte de los motores.

Remaches ø3 x 12Se utilizan en todas las zonas de unión de distintas piezas, para esta estructura se han utilizado 89 unidades.

CianocrilatoSe ha utilizado para enlazar el material antivibratorio Vidam VM3 que realiza la función de disminuir las vibraciones obtenidas en las ruedas hacía la estructura.

PIEZAS DE UNIÓNLas piezas de unión son las que se usan simultáneamente con los remaches paraunir distintas piezas de la estructura, no hace falta que sean muy rígidas. Las preguntas a responder son: qué formas/dimensiones han de tener para abarcar un gran número d uniones y de esta forma reducir el número de piezas distintas a fabricar.

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10.MEMORIA DE CÁLCULOPresentamos aquí las consideraciones para los cálculos necesarios.

Figura 14. Diagrama de Operaciones.

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Figura 15. Control de los Motores.

Figura 16. Sistema de Comunicación.

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11. DISEÑO MECÁNICO

A continuación se presenta un compendio del diseño mecánico del robot.

Figura 17. Modelo CAD de la Carcaza.

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Figura 18. Sistema de Tracción.

Figura 19. Sistema de Patéo.

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Figura 20. Placa Base.

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Figura 21. Cúpula.

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Figura 22. Parte Trasera.

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Figura 23. Rasta.

PRESUPUESTO

Producto Costo por unidadPic 18f4550 $105.00Sensor o switch de proximidad inductivo marca Ifm Efector.

$500.00

Cnc motor (servomotor) $999.00Zigbee (inalámbrico)Freescale Xbee $1499.00

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CONCLUSIÓNSe debe de lidiar con multiples factores que entorpecen la comunicación en el campo de juego. Para lograr establecer una comunicación full duplex se debe de contar con un constante monitoreo en tiempo real de la posicon tanto del equipo como del rival y de la pelota.

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BIBLIOGRAFÍA The Robocup Federation official website: http://www.robocup.org/. Small Size League Rules Page: http://wiki.robocup.org/wiki/Small_Size_League#Rules. “Diseño e Implementación de un Robot Jugador de Fútbol Categoría Mirosot

Controlado por Radio Frecuencia”. Valencia Astudillo, Cristhian Alex. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Riobamba, Ecuador. 2008.

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http://wiki.robocup.org/wiki/Small_Size_League#Rules

http://www.robocup.org/

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