tema 4

Tema 4: Control i robótica

APUNTS

1.L’origen dels robots Els humans sempre hem intentat aconseguir que les màquines funcionessin de manera automàtica i autònoma.

Durant tot el temps s’han construït moltíssims ginys que intentaven imitar d’alguna manera algunes habilitats humanes. Leonardo Torres Quevedo es considerat un dels precursors de la intel·ligència artificial a Espanya, va construir un autòmat que jugava el final d’una partida d’escacs i sempre feia l’escac i mat.

La paraula robot va sortir a la palestra per primer cop l’any 1921 a l’obra de teatre RUR de l’escriptor txec Karel Capek. Prové de la paraula txeca robota, que vol dir treballador.

Per què insistim a construir robots?

Perquè els robots són màquines capaces de dur a terme tasques repetitives amb una gran precisió. Unes tasques que estalvien temps i esforç als humans.

Els robots actuals són molt precisos, però encara el món de la robòtica està en el principi i li falta molt per a desenvolupar-se.

2. Automatismes, robots i control per ordinador El cert és que els robots encara són lluny d’existir, però no estan més a prop del que ens imaginem.  N’hi ha de ben senzills, com el mecanisme de l’ascensor que s’obre la porta quan arribem a la planta sol·licitada (mecanisme de llaç obert); o més complexos, la porta és capaç de detectar el pas d’una persona (mecanisme de llaç tancat).  Els robots són un grup d’automatismes que formen una màquina, i són capaces de prendre diverses decisions simultànies (que s’han programat abans) en funció de les dades que reben del seu entorn a través dels sensors.

Perquè això sigui possible, la màquina ha de disposar d’un ordinador capaç de respondre als estímuls externs i d’organitzar les tasques.

El procés de rentat automàtic d’un cotxe és un exemple:  Els rodets llisquen de davant cap enrere. D’això se’n diu conjunt d’arrossegament.  Té unes varetes flexibles que toquen al vehicle i detecten la posició exacta del cotxe. Són sensors finals de cursa.  Per calcular l’alçada del cotxe, i saber fins a on han de baixar les escombres de neteja del sostre, el sistema inclou sensors fotoelèctrics.

Tema 4: Control i robótica 

APUNTS

Tot el conjunt està controlat per un microprocessador en el qual s’hi poden programar fins i tot diferents tipus de rentades.

3. Introducció al control de sistemes Què és un robot?

Hi ha infinitats de maneres de definir que és un robot. Algunes diuen que han de ser programables, altres no, però coincideixen en que: Un robot ha de captar informació del seu entorn i, en funció de les dades que rep, efectuar una acció com a resposta.

La diferència entre un robot i un mecanisme és que els mecanismes duen a terme funcions d’una manera repetitiva, independentment de les condicions del seu entorn, en canvi els robots reaccionen quan es produeixen determinats canvis a les proximitats.

Sistemes de control La missió del sistema de control consisteix a detectar alguna condició de l’entorn, i en funció dels valors que detecta efectuar alguna acció com a resposta.

En un sistema se control s’introdueix un senyal, proporcionat per algun sensor (LDR, NTC, final de cursa...). El valor del senyal es compara amb un valor prefixat, que rep el nom de punt de regulació o d’ajust. De manera que, quan hi ha diferència entre el senyal d’entrada i el punt de regulació, es genera un senyal d’error que s’utilitza per actuar sobre algun dispositiu: motor, bombeta, etc.

Tema 4: Control i robótica

APUNTS

Agafarem com a referència el detector de foscor, que quan detecta nivells baixos de lluny connecta una bombeta.

Elements d’un sistema de control EN aquest esquema de blocs, s’hi presenta el sistema de control del detector de foscor.



Senyal d’entrada El senyal d’entrada és el que es pren de l’exterior per mitjà d’un sensor.

Tema 4: Control i robótica

APUNTS

Els sensors que farem servir són sensors de llum normal, llum infraroja i de contacte. Aquests sensors transformen la informació que reben en un senyal elèctric, que s’introdueix al sistema de control per comparar-lo amb el senyal de referència. Alguns tipus de sensors són:  LDR: resistència variable amb la llum, per a detectors de foscor o de claredat.  NTC: resistència variable amb la temperatura, per a detectors de temperatura.  CNY70: emissor i receptor d’infrarojos, per detectar el reflex de l’infraroig.  TSUS5400 i BPW40: emissor i receptor d¡infrarojos.  Final de cursa: per a detectors de contacte. 

Senyal de referència, punt d’ajust o punt de regulació.

El senyal de referència és el valor que es compara amb el senyal d’entrada.



Comparador El comparador compara el senyal d’entrada amb el de referència. Quan la diferència supera un valor determinat, el transistor passa de la zona de tall a la de saturació, i indica que la diferència entre els senyal de referència i el d’entrada ha depassat el valor prefixat.  Elements de control L’acció de control la du a terme el transistor juntament amb el relé, que s’activa en rebre el senyal del transistor.  Senyal de sortida L’element de control és el que emet el senyal de sortida, que actua sobre l’element que du a terme l’acció de control (actuador).  Actuador La bombeta és l’actuador, ja que, en encendre’s, augmenta el nivell de llum de l’àrea d’intervenció. És l’element que corregeix la variable controlada; la llum, en aquest cas.  Variable controlada El sistema l’inspecciona amb l’objectiu d’actuar en conseqüència. I rep el nom de variable perquè canvia independentment del sistema, com la temperatura o la llum, per exemple.  Realimentació En aquest circuit, la realimentació té lloc mitjançant la vigilància contínua de la variable controlada. I això permet detectar qualsevol mena de canvi pel que fa al nivell d’il·luminació.

Tema 4: Control i robótica

APUNTS

4. Aplicacions del control automàtic: robots L’ús de robots controlats mitjançant un programari sofisticat és essencial avui dia per a la indústria moderna. Es fan servir en processos en que la intervenció humana es massa arriscada o que exigeixen una precisió extrema.

Es fan servir per exemple: a les centrals nuclears, l’enginyeria de precisió, exploració de l’espai, etc.

Components d’un robot El sistema mecànic (moure les diferents parts del robot segons les ordres rebudes).   



Peces rígides Articulacions Actuadors Pneumàtics Elèctrics Hidràulics L’eina

Tema 4: Control i robótica

APUNTS

El moviment dels robots El moviment que pot efectuar un robot ve condicionat per les característiques de les articulacions, que poden ser:  

Prismàtiques Moviments lineals.

Giratòries Moviments de rotació.

Com els braços d’un robot poden incorporar articulacions de tipus diferent, poden fer moviments molt complexos.

El tipus de moviments que pot fer un braç de robot s’anomenen graus de llibertat.

5. Disseny i construcció de robots no programables Es divideix el procés de disseny i construcció en tres fases: l’electrònica, la mecànica i el funcionament.

L’electrònica L’electrònica dels robots es pot treballar en tres parts:  Alimentació pel circuit  El parell de Darlington  Els sensors

Tema 4: Control i robótica

APUNTS

L’alimentació del circuit El funcionament del motors produeix inestabilitat als circuits electrònics.

Perquè el funcionament dels motors no afecti al circuit de control dels robots, es poden utilitzar dos sistemes:  Fer servir dos alimentacions diferents, una per al circuit de control i l’altra per als motors.  Connectar un condensador (100 nF) en paral·lel amb el motor als terminals del propi motor.

El parell de Darlington El parell de Darlington permet augmentar la sensibilitat dels sensors, incrementant el guany del sistema.

Es pot construir utilitzant un parell de transistors, tot i que hi ha transistors que porten integrat el parell de Darlington.

Esquema del parell de Darlington

Sensors Els sensors poden ser des d’una senzilla resistència LDR fins a sensors infrarojos.

El funcionament dels sensors d’infrarojos és semblant al dels sensors de llum normal. Però tenen un gran avantatge: són menys sensibles a la llum ambiental; és a dir, amb ells és més difícil que la llum ambiental influeixi sobre el funcionament dels robots, i els moviments seran més precisos. 

Detector de llum infraroja.

El component CNY70 du incorporats l’emissor i el receptor d’infrarojos en una petita càpsula. El dispositiu és molt adequat quan volem que el robot segueixi una ratlla negra sobre un fons blanc, i a l’inrevés. Només té un abast d’un parell de mil·límetres.

Tema 4: Control i robótica

APUNTS

El circuit de connexió del CNY70 és aquest:

L’emissor d’infrarojos és un díode. L’ànode (A) es connecta al terminal positiu de la pila, i el càtode (K) va al negatiu a través d’una resistència de 330Ω, perquè la tensió entre ànode i càtode sigui aproximadament d’un 2V. El receptor d’infrarojos és un fototransistor; és a dir, un transistor que condueix el corrent quan la llum incideix a la seva base.

Perquè detecti la ratlla negra, aquests components han d’estar orientats cap al terra. 

Detector d’infrarojos amb sensor i emissor independents.

Una altra possibilitat per construir robots que siguis sensibles a la llum infraroja, és utilitzar emissors i receptors d’infrarojos de manera independent. Aquest sensors tenen més abast que el CNY70.

Tema 4: Control i robótica

APUNTS

El circuit de connexió d’aquest components és:

Aquest circuit incorpora un díode LED en sèrie amb l’emissor d’infrarojos (TSUS5400). La funció del díode LED és d’indicar-nos si funciona o no l’emissor de llum infraroja, ja que nosaltres no podem veure la radiació infraroja.

El valor del potenciòmetre que va connectat a l’emissor del fototransistor (BPW40) s’ha incrementat perquè sigui més sensible aquest component.

Aquest és el circuit que utilitzarem per al robot, a fi que no topi i canviï de direcció quan s’apropa a una paret blanca.

La mecànica La mecànica dels robots és molt important.

Els robots s’han de moure pausadament. SI es mouen massa ràpid, encara que el sensor detecti una ratlla negra, per exemple, no hi haurà temps de reacció.

Per tant, hem d’utilitzar motors que duguin incorporat un sistema reductor de velocitat.

Sistema de rodes i eixos per reduir la velocitat de gir.

En casos determinats, cal introduir-hi un altre nivell de reducció, i afegir.hi un vis sense fi i un engranatge. Aquest sistema dóna més capacitat de reduir la velocitat del motor.

Tema 4: Control i robótica

APUNTS

El funcionament dels robots Tots els robots d’aquest tema funcionen amb dos sensors que controlen un parell de motors independents, i cadascun d’ells mou una roda.

Si controlem el sentit de gir dels motors, podem aconseguir que el robot avanci, giri a la dreta, cap a l’esquerra o que vagi cap enrrere.   

Quan els dos motors giren en el mateix sentit, el robot avança.

Si els dos motors giren en l’altre sentit, el robot recula.

Quan un motor gira en un sentit, i l’altre en el sentit contrari, el robot gira sobre ell mateix.

També es pot fer que el robot giri, mantenint un motor aturat i l’altre funcionant.

Tema 4: Control i robótica

ACTIVITATS

1.- Pensa en els aparells que fas servir cada dia a casa, als mitjans de transport o a l’institut, i decideix quins són automatismes.

Rentadora, rentavaixelles, porta automàtica, màquina per treure tiquets, escale mecàniques, etc.

2.- Indica quins dels automatismes següents corresponen a sitemes de control de llaç obert, i quins, a llaç tancat. a) La porta d’un garatge que s’obre amb un comandament a distància i es tanca automàticament passats 60 segons. OBERT b) Una porta que es capaç de detectar la presència d’un altre cotxe que entra i de mantenir-se oberta més temps si cal. TANCAT c) La cisterna automàtica del bany. TANCAT d) Un contestador automàtic d’un telèfon. OBERT e) Un radiador elèctric amb termòstat incorporat. TANCAT f) Un semàfor. OBERT

4.- Posa alguns exemples de situacions, en l’àmbit de la indústria, els laboratoris, la investigació, etc., en què pensis que utilitzar robots pot ser útil. Argumenta la resposta.

Per fer circuits impresos molt petits i les soldadures, a les centrals nuclears per treballar amb els materials radioactius, en alguna fàbrica per anar ficant el producte a les caixes, per portar alguna cosa molt gran i de molt pes d’un lloc a un altre, etc.

Tots aquests treballs són treballs en que es necessita molta precisió, o són treballs molt repetitius, o perillosos o que els humans no podem realitzar.

5.- Saps quin és l’element de control d’aquest robot? I l’element actuador?

L’element de control és el parell de Darlington i el relé. L’actuador és el motor esquerre.

6.- Coneixes la funció del parell de Darlington? Quina és?

Fer que el sensor sigui més sensible i més precís i incrementar el guany del sistema.

7.- Quan canviem el valor del potenciòmetre, què estem ajustant al circuit?

El que s’està ajustant és el senyal de referència.

Tema 4: Control i robótica

ACTIVITATS

8.- Quina és la funció dels condensadors que estan en paral·lel amb els motors?

Protegeixen el circuit, perquè no li passi res, per culpa dels motor, pels canvis de tensió que provoca.

17.-Cita tres exemples de llaç obert.

- Una calefacció que es posa en marxa segons un temporitzador.

- Un sistema de reg que es connecta en una hora determinada.

- La porta d’un ascensor que es tanca després de 40 segons d’haver-se obert.

18.- Cita alguns exemples de sistemes de llaç tancat.

- Porta automàtica d’un centre comercial.

- Porta d’un cotxe que s’obre si tens la clau a prop del cotxe i poses la mà al pom de la porta per obrir-la.

- Els fanals que s’encenen quan ja no detecten quasi llum.

19.- Quina diferència bàsica hi ha entre els sistemes de llaç obert i els de llaç tancat?

El llaç obert no avalua el valor de la variable que es tracta de controlar, per contra, els sistema de llaç tancat avalua contínuament el valor de la la variable controlada.

22.- Respon: a) Què és una resistència LDR? Una resistència que el seu valor canvia segons la quantitat de llum que detecti.

b) Com es pot utilitzar una resistència LDR en un automatisme? Posa’n un exemple.

Detectar presència d’una persona per obrir o tancar una porta.

26.- Indica quins sensors penses que calen per controlar els automatismes següents: a) Una persiana que, en incidir-hi el sol al damunt, baixa automàticament fins arribar a un topall. LDR i final de cursa b) El climatitzador d’un automòbil. NTC o PTC c) Una màquina que repassa les ratlles blanques discontínues d’una carretera de manera completament automàtica. LDR d) Una ascensor que puja fins a l’ultima planta o pis d’un edifici. Final de cursa

Tema 4: Control i robótica

ACTIVITATS

e) Una porta automàtica que s’obre quan una persona s’hi posa al davant. LDR o infrarojos f) Un forn que es desconnecta quan assoleix la temperatura d’elecció i que es connecta un altre cop si la temperatura baixa per sota del llindar que s’ha seleccionat. NTC o PTC g) Una fanal que s’encén cap al vespre i s’apaga a una hora de la matinada. LDR

33.- Investiga i esbrina que és una casa domòtica.

Una casa domòtica és una casa que tota la casa es automàtica, totes les coses es poden programar des d’un meteix lloc perquè facin unes coses concretes, segons els sensors que hi ha per tota la casa que envien senyals al centre de control centralitzat.

Tema 4: Control i robótica

ACTIVITATS

Activitats de la fitxa 1.- Dibuixa el component real i el símbol dels components que s’utilitzen en aquest tema per construir els diferents tipus de robots.

Component Resistència fixa

Potenciòmetre

LDR

NTC

CNY70

Condensador

Final de cursa

Díode

Díode LED

Transistor NPN

Relé

Dibuix del component real

Símbol

Tema 4: Control i robótica

ACTIVITATS

1.- Indica, en l’esquema de la figura quina part del circuit desenvolupa cadascuna d’aquestes funcions: a) Senyal de referència b) Senyal d’entrada c) Elements de control d) Actuador

2.- Assenyala quins dels sistemes de control següents són de llaç obert i quins de llaç tancat.

Sistema Calefacció rellotge.

controlada

Tipus de control amb

un

OBERT

Ompliment d’un dipòsit amb sensors d’alt nivell i de baix nivell que aturen o engeguen una bomba.

TANCAT

Regulació d’un sistema de calefacció amb un termòstat.

TANCAT

Programació d’un vídeo.

OBERT

Ompliment d’un dipòsit amb una aixeta temporitzada.

OBERT

Automatisme que posa un segell cada 5 segons.

OBERT

Tema 4: Control i robótica

ACTIVITATS

3.- Com s’aconsegueix que els robots de la unitat avancin, vagin cap enrere i girin cap a la dreta o cap a l’esquerra?

Avançar: El motor dret i l’esquerre giren els dos cap endavant.

Enrere: Els dos motors, el dret i l’esquerre, giren cap enrere.

Girar a la dreta: El motor dret està parat i l’esquerra gira cap endavant./ El motor esquerre gira cap endavant i el dret cap enrere.

Girar a l’esquerra: El motor esquerre està parat i el dret gira cap endavant./ El motor dret gira cap endavant i l’esquerre cap enrere.

4.- Indica els passos que cal seguir per construir el circuit imprès.

1- Dibuixar amb llapis a la placa, al coure, el circuit, prèviament dibuixat amb l’Express PCB. 2- Repassar el llapis amb un permanent de color negre.

3- Col·locar la placa durant uns 20 minuts a l’àcid, perquè es mengi el coure que no necessitem.

4- Perforar la placa a on es posaran els components.

5- Es col·loquen els components correctament i se solden a la placa.

5.- Quina funció desenvolupa el parell de Darlington en els circuits de control?

Fa que els sensors siguin més sensibles.

6.- Com s’ajusta la sensibilitat dels sensors dels robots?

Amb el potenciòmetre.

7.- Indica el tipus de sensors que pot fer servir cadascun d’aquests robots: Robot No cau de la taula.

Busca la claror.

Rastrejador de la línia negra.

No cau des d’una carretera elevada.

No topa amb parets blanques.

Persegueix llum.

Sensor Final de cursa LDR CNY70 Final de cursa Emissor/receptor d’infrarojos LDR

Tema 4: Control i robótica

ACTIVITATS

8.- Dissenya el sistema de control d’una persiana moguda per un motor que compleixi les condicions següents: a) La persiana s’abaixarà automàticament quan toqui el sol a la finestra. b) La persiana s’aixecarà automàticament quan ja no toqui el sol a la finestra. c) El moviment de la persiana s’aturarà automàticament quan la persiana estigui a la part superior o a la part inferior de la finestra. d) El circuit tindrà un interruptor general que permetrà la connexió o la desconnexió del sistema. e) Quan el circuit estigui activat (és a dir, preparat per actuar), s¡encendrà un LED vermell. f) Quan estigui abaixant la persiana, s’encendrà un LED verd. g) Quan la persiana s’estigui pujant, s’encendrà un LED groc.

1.- Completa aquests circuits, que corresponen als robots que has estudiat en el tema. a) Busca claror.

Tema 4: Control i robótica b) Rastrejador.

c) No cu d’una carretera elevada.

ACTIVITATS