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Gor donMc Comb

CONSTRUCCIÓN DE ROBOTS PARA AFICIONADOS

GORDON McCOMB

Revisión técnica en español: JAVIER POMPA Prof. IES Tecnología y FP en Electrónica

Editorial Estribor

CONSTRUCCIÓN DE ROBOTS PARA AFICIONADOS, 1ª Edición No está permitida la reproducción total o parcial de esta publicación, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito del editor. DERECHOS RESERVADOS © 2012, respecto a la edición en español por: EDITORIAL ESTRIBOR, S.L. c/ Alba, 6B 28043 Madrid ESPAÑA Traducido bajo licencia de McGraw-Hill, Inc. de la edición en inglés de: ROBOT BUILDER’S BONANZA, Fourth Edition Copyright © 2011, 2001, 1987 by Gordon McComb. All rights reserved. Copyright versión en español © 2012, por Editorial Estribor, S.L. Todos los derechos reservados. ISBN: 978-84-940030-1-1 Depósito legal: M-34742-2012 Diseño de portada Francisco Luque Ulloa

Traducción y adaptación de figuras Javier Pompa Domínguez

Impresión y encuadernación PUBLIDISA (Sevilla)

IMPRESO EN ESPAÑA – PRINTED IN SPAIN

La información ha sido obtenida por la Editorial de fuentes que se creen que son fiables. No obstante, debido a la posibilidad de error humano o mecánico por parte de las fuentes de información utilizadas en la elaboración del libro, Editorial Estribor no garantiza la exactitud, adecuación o integridad de la información y no se hace responsable de los errores u omisiones o los resultados obtenidos con el uso de dicha información. El libro se proporciona “tal cual”.

Para Lane y Firen, que mantienen el legado vivo

ACERCA DEL AUTOR Gordon McComb ha escrito 65 libros y miles de artículos de revista; de sus libros se han vendido más de un millón de ejemplares, en más de una docena de idiomas. Durante 13 años, Gordon McCommb ha estado escribiendo una columna en un semanario sindicado sobre ordenadores y alta tecnología, con una audiencia de varios millones lectores en todo el mundo. Es colaborador habitual de la revista SERVO Magazine y de otras publicaciones, y mantiene una activa página web dedicada a la enseñanza del arte y la ciencia de la construcción de robots.

ACERCA DEL REVISOR TÉCNICO: Javier Pompa es Licenciado en Física y Profesor de IES de Tecnología y FP en Electrónica. Es un enamorado de la electrónica y de la enseñanza a partes iguales y en la actualidad se haya preparando una ambiciosa serie de libros sobre electrónica para facilitar su aprendizaje en los centros de enseñanza.

CONTENIDO Agradecimientos xxi Créditos de fotografías e ilustraciones xxiii Introducción xxv

Parte 1 - El arte y la ciencia de la construcción de robots Capítulo 1 - ¡Bienvenido al maravilloso mundo de la robótica!

3

Qué nos depara la aventura

3

¿Por qué construir robots?

4

El enfoque de la construcción por bloques

6

Cuanto más baratos, mejores robots

6

Conocimientos necesarios

7

¿Hacerlo uno mismo, kits o ya montados?

10

Pensar como un constructor de robots

12

Capítulo 2 - Anatomía de un robot

14

Robots fijos frente a robots móviles

14

Robots autónomos frente a robots telecontrolados

15

Robots fijos versus autónomos

17

Pero, entonces, ¿qué es un robot?

17

El cuerpo del robot

18

Sistemas de locomoción

23

Sistemas de alimentación

25

Dispositivos sensores

26

Dispositivos de salida

28

De dónde viene la palabra “robot”

29

Capítulo 3 - Conseguir las piezas

30

Tiendas locales de electrónica

31

Puntos de venta de artículos electrónicos online

31

Utilizar FindChips.com para localizar las piezas

31 vii

viii   CONTENIDO

Distribuidores online especializados en robótica

32

Tiendas de hobbies y modelaje

32

Tiendas de artesanía

33

Ferreterías y tiendas de artículos para el hogar

34

Muestras de los fabricantes de productos electrónicos

34

Encontrar en Internet lo que está buscando

35

Compre una vez, y hágalo de forma inteligente

35

Recorra las tiendas de excedentes

36

Adquirir piezas en almacenes especializados

36

Remueva el trastero: construir con lo que ya tiene

37

Cómo organizarse

38

Parte 12 - Construcción de robots Capítulo 4 - La seguridad es lo primero (y siempre)

44

Seguridad del proyecto

44

Seguridad con las baterías

45

Seguridad con las soldaduras

45

Seguridad contra incendios

45

Evitar daños por descargas eléctricas

46

Trabajar con corriente doméstica

48

Primeros auxilios

49

Utilice el sentido común y disfrute de su hobby

49

Capítulo 5 - Construcción de cuerpos de robots: fundamentos

50

Seleccionar el material de construcción adecuado

50

Repaso: seleccionar el material adecuado

54

Robots de piezas “encontradas”

55

Herramientas básicas para construir robots

55

Herramientas opcionales

58

Materiales de ferretería

59

Montaje del taller

60

Capítulo 6 - Técnicas de construcción mecánica

61

Pero primero lo primero: protección de ojos y oídos

61

Planificar, esquematizar, medir, marcar

62

Cómo hacer taladros

62

Cortar las cosas a su tamaño

67

Utilización de herramientas eléctricas portátiles

70

Herramientas de aire comprimido para un trabajo rápido

71

CONTENIDO ix

Capítulo 7 - Trabajar con madera

72

Madera dura frente a madera blanda

72

Tablas o chapa

72

El arte del leñador

75

Capítulo 8 - Construir una plataforma motorizada de madera Construir la base

84 84

Montaje y colocación de los motores

87

Montaje y colocación de las ruedas

88

Colocación de la bola de cojinetes

89

Utilización del PlyBot

89

Variaciones sobre un tema

90

Capítulo 9 - Trabajar con plástico

91

Principales tipos de plásticos para robots

91

Los mejores plásticos para robótica

93

Dónde comprar plástico

93

Ventajas e inconvenientes del PVC rígido expandido

94

Cómo cortar plástico

95

Cómo taladrar plástico

97

Creación de bases de plástico

98

Creación de marcos o estructuras de plástico

100

Cómo doblar y darle forma al plástico

100

Cómo alisar los bordes del plástico

101

Cómo pegar plástico

101

Utilización de pegamento caliente con plástico

103

Cómo pintar plásticos

103

Plásticos domésticos para construcción de robots

103

Capítulo 10 - Construcción de una plataforma motorizada de plástico Crear la Base

105 105

Colocación de los motores

107

Colocación de las ruedas

109

Colocación de la bola con rodamientos

109

Utilización del PlastoBot

110

Modificar el diseño del PlastoBot

110

Capítulo 11 - Trabajar con metal

112

Todo acerca del metal para robots

112

Medida del espesor del metal

114

x   CONTENIDO

¿Qué es esto de los tratamientos térmicos?

115

Dónde adquirir metales para robots

115

Recapitulación de los metales para la robótica

117

Metales de los almacenes de bricolaje y ferretería local

117

Metales de tiendas de hobby y manualidades

119

El arte del herrero

119

Capítulo 12 - Construcción de una plataforma motorizada de metal

128

Construcción de la base

128

Utilización del TinBot

134

Capítulo 13 - Técnicas de montaje

135

Tornillos, tuercas y otras fijaciones

135

Escuadras 141 Selección y utilización de adhesivos

Capítulo 14 - Métodos de creación rápida de prototipos

143

151

Selección de materiales ligeros para robots

151

Corte y perforación de los pliegos de sustratos

154

Construcción rápida con fijaciones semipermanentes

155

Capítulo 15 - Dibujos de robots mediante diseño asistido por ordenador

159

Creación de diseños de perforación y corte

159

Formatos de archivo de gráficos vectoriales

165

Utilización de servicios de corte por láser

166

Prototipos de “fabricación rápida” de metal y plástico

167

Capítulo 16 - Construcción de robots de alta tecnología con piezas de juguetes Juegos de construcción Erector

168 168

Fischertechnik 169 K’NEX 170 Otros juegos de construcción a probar

170

Construcción con componentes de encajar unos en otros

171

Juguetes especiales para tunear robots

173

Creación de robots de vehículos de juguete reconvertidos

174

Capítulo 17 - Construcción de robots con piezas diversas

178

Una docena de ideas para empezar

178

Experimentar diseños con plataformas metálicas “sin corte”

179

CONTENIDO xi

Utilización de muestras de madera y plástico

183

Mantenga los ojos abiertos y la cinta métrica a mano

184

Parte 3 - Alimentación, motores y locomoción Capítulo 18 - Todo acerca de las baterías

189

Visión de conjunto de las fuentes de alimentación

189

Pilas y baterías para sus robots

190

Clasificación de las baterías

193

Recarga de baterías

197

Baterías para robots de un vistazo

198

Tamaños comunes de pilas y baterías

198

Aumento del valor de las baterías

198

Capítulo 19 - Sistemas de alimentación de robots

201

Símbolos de circuitos de alimentación y baterías

201

Utilización de un paquete de baterías ya fabricado

202

Hágase su propio paquete de baterías recargables

203

Utilización de pilas o baterías en un portapilas

205

Mejores prácticas en la colocación de baterías

207

Cableado de baterías al robot

207

Cómo evitar la polaridad inversa de las baterías

208

En la web: cómo soldar un conector de alimentación en un portapilas o alimentador de red de CC

210

Añada protección por fusible

210

Suministro de tensiones múltiples

211

Regulación de tensión

213

Prevención de caídas bruscas de tensión

219

Monitores de tensión de batería

220

Capítulo 20 - Mover el robot

221

Seleccionar un sistema de locomoción

221

Locomoción utilizando ruedas

223

Locomoción utilizando orugas

227

Locomoción utilizando patas

229

Locomoción utilizando otros métodos

230

En la web: controlar el peso del robot

230

Capítulo 21 - Selección del motor adecuado ¿Motores de CA o CC?

231 231

xii   CONTENIDO

¿Motor continuo o paso a paso?

232

Servomotores 233 Especificaciones del motor

233

Medición del consumo de corriente de un motor

237

Cómo tratar las caídas de tensión

240

Evitar el ruido eléctrico

242

Capítulo 22 - Utilización de motores CC

243

Fundamentos de los motores CC

243

Revisión de la clasificación de motores CC

245

Control de un motor CC

245

Control de un motor mediante conmutador

246

Control de motores mediante relé

248

Control de motores mediante transistores bipolares

253

Control de motores con transistores de potencia MOSFET

255

Control del motor mediante módulo puente

258

Control de la velocidad de un motor CC

261

Proyectos extra: interfaz a los módulos puente de motor

262

Capítulo 23 - Utilización de servomotores

263

Cómo funcionan los servos R/C

263

Señales de control para servos R/C

265

La función del potenciómetro

267

Tipos y tamaños de servos para funciones especiales

268

Trenes de engranaje y máquinas propulsoras

268

Eje de salida con casquillos y rodamientos

269

Especificaciones típicas de servos

269

Tipos de conectores y su cableado

270

Servos analógicos versus digitales

272

Electrónica para controlar un servo

272

Utilización de servos de giro continuo

275

Modificación de un servo estándar para giro continuo

276

Utilización de servomotores para torretas de sensores

280

Capítulo 24 - Montaje de motores y ruedas

282

Montaje de motores CC

282

Montaje y alineación de motores con una canaleta de aluminio

286

Montaje de servos R/C

286

Montaje de componentes de transmisión en los ejes

288

Montaje de ruedas en motores CC con engranaje reductor

289

CONTENIDO xiii

Montaje de ruedas en servos R/C

291

Colocación de articulaciones mecánicas en servos

292

Componentes de transmisión para robótica

293

Utilización de acopladores rígidos y flexibles

295

Trabajar con distintos tipos de eje

299

Todo lo que siempre quiso saber sobre engranajes

300

Capítulo 25 - Movimiento del robot con aleación con memoria de forma

305

La aleación con memoria de forma llega a la robótica

305

Conceptos básicos de aleaciones con memoria de forma

306

Utilización de las aleaciones con memoria de forma

306

Utilización del SMA mediante un microcontrolador

308

Experimentar con mecanismos SMA

310

Utilización de mecanismos SMA comerciales

311

Parte 4 - Proyectos prácticos de robótica Capítulo 26 - Construcción de robots con ruedas y cadenas

315

Principios básicos de diseño de robots rodantes

315

BasicBot de dos motores

322

Proyecto extra: RoverBot con dos plataformas

325

Construcción de robots 4WD

325

Construcción de robots de tipo tanque

328

Capítulo 27 - Construcción de robots con patas

338

Visión de conjunto de los robots con patas

338

Selección del mejor material de construcción

341

Construcción desde cero o kits de piezas

342

Potencia de las patas

344

Cadencia de marcha de los robots con patas

347

Construcción de un hexápodo con 3 servos

348

Creación de articulaciones de servo X-Y

356

Proyecto extra: construir un hexápodo de 12 servos

359

Capítulo 28 - Experimentar con brazos robóticos

360

El brazo humano

360

Grados de libertad de un típico brazo robótico

361

Tipos de brazos

362

Técnicas de actuación

364

Construcción de una muñeca robótica

365

xiv   CONTENIDO

Construcción de brazo funcional con coordenadas angulares

366

Construcción de un brazo robótico en kit

371

Capítulo 29 - Experimentar con pinzas robóticas Concepto de la pinza básica

373 373

Pinza de dos dedos

374

Herramienta pinza de agarrar

378

En la web: más planes de pinzas

380

Parte 5 - Electrónica de los robots Capítulo 30 - Electrónica de la construcción de robots: conceptos básicos

385

Herramientas para electrónica que debe tener

385

Fabricación de circuitos electrónicos: conceptos básicos

392

Los cables y el cableado

392

Cómo soldar

394

Utilización de conectores poste y otros conectores

398

Utilización de puentes de sujeción

400

Buenos principios de diseño

400

RoHS desmitificado

402

Capítulo 31 - Componentes electrónicos comunes para robótica

404

Pero antes, unas palabras acerca de los símbolos electrónicos

404

Resistencias fijas

405

Potenciómetros 411 Condensadores 414 Diodos 418 Diodos emisores de luz (LEDs)

420

Transistores 422 Circuitos integrados

424

Interruptores 426 Relés 428 … Y el resto

430

En la web: almacenar piezas

430

Capítulo 32 - Utilización de placas de prueba sin soldaduras Anatomía de una placa de pruebas sin soldadura

431 431

Pasos para montar un circuito en una placa de pruebas sin soldadura.

435

Montaje de circuitos de larga duración en una placa de pruebas sin soldadura

436

CONTENIDO xv

Montaje de la placa de pruebas en el robot

436

Consejos para utilizar una placa de pruebas sin soldadura

437

Capítulo 33 - Fabricación de placas de circuito Visión general de principales opciones para la creación de placas de circuito

438 438

¡Primero, límpiela!

439

Creación de circuitos permanentes en placas de prueba con soldadura

440

Montaje en placas perforadas

440

Utilización de placas perforadas con pistas

441

Diseño de placas de circuito electrónico con PCB CAD

442

Creación de placas específicas para Arduino con Fritzing

445

En la web: grabado de sus propias placas de circuito impreso

446

Utilización de placas de prototipo personalizadas

446

Creación de circuitos semipermanentes con wire wrapping

447

Utilización de los conectores de forma efectiva

448

Parte 6 - Control electrónico y de ordenadores Capítulo 34- Visión de conjunto de los “cerebros” de robots

453

Cerebro para los músculos

453

¡Igor, dele al interruptor!

454

Cerebros a partir de componentes independientes

455

Cerebros programados

455

De entradas y salidas

461

Capítulo 35 - Conozcamos los microcontroladores

464

Todo acerca de las categorías de microcontroladores

464

Formas y tamaños de los microcontroladores

467

Qué hay debajo de un típico chip microcontrolador

469

Programadores de microcontrolador

472

Todo sobre la velocidad del microcontrolador

473

Capítulo 36 - Conceptos de programación: fundamentos

474

Conceptos importantes de programación

474

Tipos de datos

478

Las siete instrucciones afortunadas más comunes en programación

480

Variables, expresiones y operadores

483

En la web: más conceptos de programación

488

xvi   CONTENIDO

Parte 7 - Cerebros de microcontrolador Capítulo 37 - Utilización de Arduino

491

Qué hay dentro de Arduino

491

Muchas versiones de lo mismo

492

Expansiones listas vía shields

493

Conexión y alimentación USB

494

Distribución de pines de Arduino

495

Programación de Arduino

495

Programación para robots

497

Utilización de servos

501

Creación de sus propias funciones

503

En la web: manejo de dos servos

504

Estructuras de control de flujo

505

Utilización de la ventana Serial Monitor

506

Algunas funciones comunes para robótica

507

Utilización de interruptores y otras entradas digitales

508

Interfaz con motores CC

508

Capítulo 38 - Utilización de PICAXE

511

Conozca a la familia PICAXE

511

Programación de PICAXE

516

Sintaxis del lenguaje básico

517

Funciones PICAXE para robótica

521

Ejemplo: control de un servo R/C con PICAXE

523

Ejemplo: lectura de botones y control de salidas

524

Capítulo 39 - Utilización de BASIC Stamp

525

Dentro del BASIC Stamp

525

Sólo Stamp o kit de desarrollo

527

Distribución física del BS2

527

Enchufemos: conexión del BASIC Stamp a un PC

528

Conocimiento y utilización del PBasic

529

Interfaz con interruptores y otras entradas digitales

535

Control de motores CC con el BASIC Stamp

536

Control de servomotores R/C con el BASIC Stamp

538

Adiciones en PBasic 2.5

539

CONTENIDO xvii

Capítulo 40 - Acoplamiento del hardware con su microcontrolador u ordenador

542

Sensores como entradas

542

Motores y otras salidas

545

Arquitecturas de entrada y salida

547

Salidas de interfaz

550

Acoplamiento de entradas digitales

550

Acoplamiento de entradas analógicas

553

Conexión con USB

556

Utilización de la conversión analógica-digital

557

Utilización de la conversión digital a analógica

558

Ampliación de las líneas de E/S disponibles

559

Cambio de puerto

562

En la web: programación de puerto a nivel bit (bitwise) 564

Capítulo 41 - Sistemas de control remoto

565

Construcción de un joystick “consola de aprendizaje”

565

Manejo del robot con un mando a distancia por infrarrojos

568

En la web: control por señales de radio

574

Transmisión de video

575

Parte 8 - Sensores, navegación y retroalimentación Capítulo 42 - Adición del sentido del tacto

579

El tacto

579

Interruptor mecánico

580

Utilización de circuitos de eliminación del rebote del pulsador

588

Eliminación del rebote de interruptores mediante software

589

Programación de los contactos de un parachoques

589

Sensores de presión mecánica

591

Experimentación con sensores piezoeléctricos de tacto

596

Experimentación con película piezoeléctrica

599

En la Web: construir una barra piezoeléctrica paragolpes

602

Otros tipos de sensores de “tacto”

602

Capítulo 43 - Detección de distancia y proximidad

603

Descripción general del diseño

603

Sensor de proximidad simple de luz infrarroja

606

Detector de proximidad por infrarrojo modulado

607

Medición de distancia por infrarrojos

614

xviii   CONTENIDO

En la Web: detección pasiva por infrarrojos

620

Medición de distancia por ultrasonidos

620

Capítulo 44 - Ojos robóticos

625

Sensores sencillos para ojos robóticos

625

Construcción de un ojo Cíclope de una celda

629

Construcción de un ojo robótico multi-célula

631

Utilización de lentes y filtros con sensores sensibles a la luz

635

Sistemas de visión mediante vídeo: una introducción

635

Capítulo 45 - Pilotar el robot

639

Seguir una ruta predefinida: seguidores de línea

639

Seguimiento de paredes

644

Odometría: calcular la distancia de desplazamiento del robot

645

Rumbos con brújula

654

Experimentación con sensores de inclinación y gravedad

657

Más sistemas de navegación para robots

661

Capítulo 46 - Producción y reproducción de sonidos

663

Módulos de sonido preprogramados

663

Kits comerciales de efectos de sonido electrónico

665

Creación de sirenas y otros sonidos de advertencia

665

Utilización de un microcontrolador para crear sonido y música

666

Utilización de amplificadores de audio

668

Reproducción de música y sonido con un microcontrolador

669

Síntesis de voz: hacer que el robot hable

670

Escucha de sonido

673

En la Web: más proyectos de sonido

676

Capítulo 47 - Interactuar con su creación

677

Utilización de LEDs y pantallas de LED para información

677

Respuesta mediante sonidos sencillos

684

Utilización de pantallas LCD.

685

Interacción robot-humano con efectos de iluminación

688

Capítulo 48 - Atención ¡Peligro!

694

Detección de llama

694

Detección de humo

697

Detección de gases peligrosos

700

Detección del calor

703

Concursos robóticos de lucha contra incendios

705

CONTENIDO xix

Por último, ¡póngase en marcha y actúe!

Apéndice A - RBB Online Support

705

706

En ella encontrará…

706

Página web de asistencia de soporte

707

Fuentes de piezas especiales, sitios en la Web

707

Apéndice B - Distribuidores de piezas por Internet

708

Robótica 708 Electrónica 709 Tiendas de hobby

709

Foros y blogs

710

¡Más información en la Web!

710

Apéndice C - Referencias mecánicas

711

Fracciones decimales

711

Tamaños de brocas y macho de roscar - Sistema Imperial

712

Tamaños de brocas y macho de roscar - Sistema Métrico

713

Comparación de brocas por número y fracciones, en pulgadas

714

Fijaciones: resumen de roscas estándar (Imperial)

714

Pulgadas decimales, pulgadas fraccionales, Mil y calibre

715

¡Más información en la Web!

715

Apéndice D - Referencias electrónicas

716

Fórmulas 716 Abreviaturas 718 Símbolos de texto utilizados en electrónica

720

Unidades numéricas en electrónica

720

Las seis unidades de medida más comunes en electrónica

721

Codificación de colores de resistencias

722

Calibre de los cables

722

Índice 725

Créditos de fotografías e ilustraciones

Adafruit Industries (www.adafruit.com): Figuras 37-2, 37-3, 37-10 Christopher Schantz (www.expressionimage.com): Figura 2-14 Cooper Industries (www.cooperhandtools.com): Figura 30-4 Devantech (www.robot-electronics.co.uk).: Figura 48-2 General Electric: Figura 2-4 Hitec RCD (www.hitecrcd.com): Figura 23-1 Lynxmotion (www.lynxmotion.com): Figuras 1-1, 2-6, 2-7, 20-10, 27-2, 28-13 iRobot Corporation (www.irobot.com): Figuras 1-6, 2-3 Maxbotics Inc. (www.maxbotics.com): Figura 43-14 Miga Motor Company (www.migamotors.com): Figura 25-7 Parallax Inc. (www.parallax.com): Figuras 2-10, 34-2, 39-1, 43-3, 48-6 Pitsco Education (www.pitsco.com): Figura 1-7 RoboRealm (www.roborealm.com): Figura 44-12 Pololu (www.pololu.com): Figuras 10-4, 10-7, 45-5, 45-19 Russell Cameron/DAGU Hi-Tech Electronic: Figuras 1-1, 44-10 Scott Edwards Electronics (www.seetron.com): Figura 27-6 SparkFun Electronics (www.sparkfun.com): Figuras 42-14, 46-7, 46-9, 46-10

El autor expresa su más profundo agradecimiento por la utilización de objetos CAD en 3D desarrollado por Ed Sparks en FirstCadLibrary.com; a los desarrolladores y colaboradores del proyecto Fritzing (www.fritzing.org); al desarrollo de dominio público del usuario de Wikipedia Inductiveload, y de los demás; y a los fantásticos artistas de los modelos 3D utilizados a lo largo de este libro. Esta publicación contiene imágenes utilizadas bajo licencia de Corel Corporation, Hemera Technologies, Shutterstock.com, y otros licenciatarios.

xxiii

INTRODUCCIÓN

Robótica: tecnología de inspiración De estos campos, ¿cuáles cree que tienen que ver con la robótica? Puede elegir entre los siguientes: ingeniería, electrónica, psicología, sociología, biología, física, inteligencia artificial, matemáticas, arte, diseño mecánico, construcción mecánica, programación de ordenadores, sonido sintético, visión, ultrasonidos, lingüística, microelectrónica, control de procesos, automatización de sistemas, musicología. Si ha contestado “todos ellos”, ha acertado. Y si cree que me falta alguno, me falta. La robótica es todas estas cosas, y mucho más. Su popularidad viene de todas las disciplinas que abarca. Cuando se construye un robot, se puede explorar de todo, desde diseño mecánico a ingeniería informática o a ciencias del comportamiento. Cada robot es diferente, un reflejo de su creador: usted. ¿Quiere hacer un robot artístico que dé vueltas en una hoja de papel, haciendo dibujos con lápices de colores? ¿Por qué no? Es su creación. Y por tanto, usted establece las normas.

Nunca hubo una época mejor para construir robots Las nuevas tecnologías han reducido enormemente el coste de la construcción de robots, por no mencionar el tiempo que se tarda en construirlos. Es el momento ideal para introducirse en el mundo de la robótica. Nunca ha sido tan barato, y el resultado supera con creces lo que era posible construir hace apenas cinco años. Por menos de 75€ se puede construir un sofisticado robot, totalmente autónomo, que puede programarse desde el ordenador. Y cambiar fácilmente su comportamiento según vaya experimentando con nuevos diseños. La robótica sigue siendo todavía una industria artesanal. Por tanto, sigue disponiendo de mucho espacio para crecer, con innumerables descubrimientos aún por realizar. ¡Quizá sea usted el que los haga! Si es así, aquí es donde entra en acción este libro. xxv

xxvi   INTRODUCCIÓN

Qué podemos encontrar en Construcción de robots para aficionados Este libro pretende ser mitad libro de aprendizaje y mitad libro de referencia. Por una parte, indica todo lo necesario para construir un robot y, por otra, cuenta muchas más cosas sobre el arte y la ciencia de la robótica. Construcción de robots para aficionados, en su primera edición en español, trata de cómo divertirse aprendiendo a diseñar, construir y utilizar pequeños robots. Las prácticas le guiarán desde la construcción de plataformas motorizadas hasta la implantación de un cerebro en la unidad - para después enseñarle a caminar y a hablar y a obedecer órdenes. Aunque en apariencia parezca un libro de instrucciones sobre cómo construir diversos robots y componentes, el propósito de este libro es inspirarle. Los proyectos modulares de este libro se pueden combinar para crear todo tipo de robots altamente inteligentes y funcionales, de cualquier tipo y tamaño. Mezcle y combine sus proyectos de la forma que más le guste. Los proyectos de este libro son un cofre de información e ideas sobre cómo hacer máquinas que piensen. Encontrará lo que necesite saber para construir los componentes esenciales de un robot personal.

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¿Se considera un recién llegado a todo lo relacionado con la robótica y la electrónica? Entonces, asegúrese de visitar la página web de soporte RBB Online Support (en inglés), donde podrá revisar sin coste alguno las primeras lecciones sobre My First Robot. Para más información, consulte el Apéndice A, “RBB Online Support”.

ACERCA DE LA CUARTA EDICIÓN EN INGLÉS Y PRIMERA EN ESPAÑOL Este libro es la traducción de la cuarta edición en inglés, y es una revisión totalmente actualizada y ampliada del libro Robot Builder’s Bonanza, publicado por primera vez en 1987, y luego actualizado en nuevas ediciones en 2001 y en 2006. Las ediciones anteriores de este libro han sido siempre auténticos best-sellers. Y en este sentido, estoy orgulloso de indicar que es uno de los libros más leídos de todos los libros publicados sobre robótica para aficionados. En las siguientes páginas encontrará información actualizada sobre emocionantes tecnologías, como los últimos microcontroladores Arduino y PICAXE; proyectos prácticos que utilizan formas únicas con sensores de luz, visión y acústicos; construcción de robots con madera, plásticos y metales de alta calidad; avanzados controles para servo y motores CC; y técnicas rápidas de creación de prototipos para construir robots en un tiempo récord. En esta edición, el énfasis se ha puesto en los planes de construcción, que no son sólo económicos, sino que pueden realizarse de forma sencilla mediante la utilización de piezas que se encuentran fácilmente. Para ponérselo más fácil a los que realizan sus primeras construcciones, ninguno de los proyectos de este libro requiere herramientas costosas o complicadas.

CONTENIDO GRATIS EN LÍNEA (EN INGLÉS), LOCALIZADOR DE PIEZAS, VÍDEOS Y ALGUNOS REGALITOS Este libro viene acompañado de contenido gratuito en la web: la página RBB Online Support. Consulte el contenido en el Apéndice A. En la página web de asistencia encontrará:

INTRODUCCIÓN xxvii

●● My First Robot - una serie de lecciones fáciles de seguir y completamente ilustradas que le enseñarán los conceptos básicos de electrónica, soldadura, planificación y construcción de robots ●● Project Parts Finder (Buscador de piezas de los proyectos) - lugares donde encontrar todas las piezas para los proyectos en este libro, incluyendo el nombre y el número de referencia de las piezas ●● Animated and interactive learning tools (Herramientas de aprendizaje animadas e interactivas) - incluyendo simuladores de circuitos ●● Nuevos y actualizados enlaces a páginas Web y de fabricantes ●● Planes digitales mejorados y actualizados de robots ●● Vídeos de cómo hacerlo, artículos adicionales, documentos sobre construcción de robots, y mucho más

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Con el fin de dejar más espacio para jugosos comentarios sobre la construcción de robots, algunos de los ejemplos de programación más extensos se han trasladado desde el libro impreso a la página web RBB Online Support, desde donde se pueden descargar sin coste. Cuando proceda, verá una nota como ésta que indica que debe ir a la página web de soporte para descargar el código.

Qué aprenderá en este libro Construcción de robots para aficionados está dividido en ocho secciones; cada una de ellas se ocupa de un componente importante en la construcción de un robot. Parte 1: El arte y la ciencia de la construcción de robots. Qué necesita para empezar; montaje del taller; cómo y dónde obtener piezas para robots. Parte 2: Construcción de robots. Robots de plástico, madera y metal; trabajar con materiales comunes; convertir juguetes en robots; técnicas de construcción mecánica; utilización de técnicas rápidas de creación de prototipos para construir robots de forma rápida y barata. Incluye tres proyectos completos de robots: PlyBot, PlastoBot y TinBot. Parte 3: Energía, motores y locomoción. Uso de baterías; alimentación del robot; trabajar con distintos tipos de motores; alimentación de motores desde dispositivos electrónicos informatizados; montaje de motores y ruedas; utilización de aleaciones con memoria de forma de la era espacial. Parte 4: Proyectos prácticos de robótica. Muchos proyectos e ideas para construir robots con ruedas, orugas y patas; construcción de sistemas de brazos; creación de manos de robots. Parte 5: Electrónica de los robots. Circuitería para robots; componentes comunes y cómo funcionan; construcción de circuitos sobre placas de prueba sin soldaduras; creación de sus propias placas de circuitos soldados. Parte 6: Control electrónico y con ordenadores. Electrónica inteligente para su equipo; introducción a los microcontroladores; aspectos fundamentales de la programación. Parte 7: Cerebros de microcontrolador. Todo acerca de tres populares microcontroladores: Arduino, PICAXE y BASIC Stamp; interfaz de la electrónica con el microcontrolador o con el ordenador; funcionamiento del robot vía cable, infrarrojos o control remoto por radio. Parte 8: Sensores, navegación y retroalimentación. Detección de colisiones y cómo evitarlas; detección de objetos cercanos; gravedad, brújula y otros sensores de navegación;

xxvi   INTRODUCCIÓN

medición de distancias con sonido ultrasónico e infrarrojos; ojos para el robot; técnicas de navegación, escucha de sonidos; detección de humo, fuego y calor. Siempre que resultara práctico, los componentes se han diseñado como bloques de construcción independientes, para que pueda combinar los bloques en prácticamente cualquier configuración que desee. El robot que construya será únicamente suyo, y sólo suyo.

Conocimientos necesarios En realidad… para utilizar este libro no es necesario disponer de ninguna experiencia previa. De hecho, el libro cuenta precisamente todo lo que necesita saber. Pero si se da el caso de que ya cuenta con cierta experiencia en construcción, en electrónica o en programación, no dude en moverse libremente por los distintos capítulos del libro. Hay un montón de referencias cruzadas que le ayudarán a ampliar sus perspectivas de descubrimiento. Construcción de robots para aficionados no contiene fórmulas difíciles de descifrar, ni supuestos poco realistas sobre su nivel de conocimientos electrónicos o mecánicos, ni complejos diseños de los que sólo se pueda ocupar un profesional experimentado. Este libro lo escribí para que cualquier persona* pueda disfrutar de la emoción y del disfrute de construir un robot. Los proyectos pueden ser reproducidos sin necesidad de tener que disponer de costosos aparatos de laboratorio, ni herramientas de precisión o materiales especializados ¡y a un coste que no contribuya a aumentar la deuda nacional! *Si tienes menos de 15 años o así, solicita ayuda de tus padres o profesores. Algunos de los proyectos en este libro conllevan la utilización de herramientas y técnicas que podrían resultar peligrosas si no se siguen las medidas de seguridad apropiadas. Los proyectos de este libro se han escrito evitando las cosas más peligrosas, pero sigue siendo posible que se produzcan quemaduras, cortes, heridas o envenenamiento de gravedad si no se tiene cuidado.

¡Una pasada! Piense en Construcción de robots para aficionados como si fuera una aventura tecnológica a la que se le ha añadido un montón de cosas divertidas. Según vaya construyendo su dispositivo, irá aprendiendo las últimas tecnologías de primera mano. Y esto le coloca en la línea de salida, tanto si su interés por la robótica es como hobby, para aplicarlo en su trabajo, o para utilizarlo en el instituto o en la escuela. Años antes de que la gente ni siquiera hubiera oído hablar de los teléfonos inteligentes o smartphones, los constructores de cacharros ya disfrutábamos jugueteando con brújulas electrónicas, acelerómetros, giroscopios, satélites de posicionamiento global, microcontroladores, pantallas táctiles, inteligencia artificial, control por voz, síntesis de voz, y mucho más. Por eso, la robótica puede ser su puerta de entrada a muchas de las emocionantes tecnologías de hoy y del mañana. Considere Construcción de robots para aficionados una especie de mapa del tesoro. Los caminos que se ofrecen entre las dos tapas del libro conducen a la construcción de robots totalmente funcionales. Así es que... ¡pase la página e inicie la aventura!

Cap

Capítulo

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Utilización de servomotores

L

os motores CC son inherentemente un sistema de retroalimentación abierto: usted los alimenta, y ellos giran. Cuánto giran no siempre se sabe, a menos que se disponga de piezas adicionales mecánicas y electrónicas. Los servomotores, por otra parte, son un sistema de retroalimentación cerrado. Esto significa que la salida del motor se acopla a un circuito de control. Cuando el motor gira, el circuito de control monitoriza la posición. El circuito no detendrá el motor hasta que el motor alcance el punto adecuado. Y todo sin que tenga que hacer nada extra. Los servomotores se han ganado un lugar importante en la robótica. Y, afortunadamente para los constructores de robots, otro hobby, el del modelismo de radio control, ha hecho que estos motores terminen siendo abundantes, fáciles de utilizar y bastante baratos. En este capítulo aprenderemos lo que necesita saber para utilizar los servos de radio control (R/C) en sus proyectos de robótica. Si bien hay otros tipos de servomotores, es el tipo de R/C el que se encuentra con facilidad y a precios asequibles, por lo que nos ocuparemos sólo de estos.

INF

Asegúrese de echar un vistazo al Capítulo 24, “Montaje de motores y ruedas” para aprender cómo colocar los servos en el robot, y a los capítulos de la Parte 7, “Cerebros de microcontrolador”, sobre cómo programar los servos para que hagan cosas estupendas.

Cómo funcionan los servos R/C Los servomotores diseñados para ser manejados a través de un enlace de radio control se conocen comúnmente como servos radio controlados (o R/C), aunque, de hecho, el propio servomotor no es precisamente lo que se controla mediante radio. El motor va conectado a un receptor de radio en el avión o coche de modelismo. El servo toma las señales del receptor. Esto significa que no es necesario controlar el robot mediante señales de radio, sino simplemente utilizar un servo R/C (a menos que lo desee, por supuesto). Los servos se pueden controlar con un PC o con un microcontrolador, como Arduino.

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264   Utilización de servomotores

Figura 23-1 Un servomotor de tamaño estándar para controlar aviones y coches de modelismo de radio control. Las pestañas permiten que el montaje sea sencillo, y la salida del servo se conecta con facilidad a ruedas, engranajes, y otros mecanismos. (Foto cortesía de Hitec RCD.)

La Figura 23-1 muestra un típico servomotor de R/C de tamaño estándar, de los utilizados en las maquetas de los aviones y de los coches de carrera. Mide alrededor de 40 x 20 x 35 mm. Para este tipo de servo, el tamaño y la forma de montaje son los mismos, con independencia del fabricante. Esto significa que se puede elegir entre diversos fabricantes y comparar precios. No obstante, además del que se muestra en la figura, hay otros tamaños de servomotores que también son comunes. Llegaremos a eso enseguida.

UN VISTAZO AL INTERIOR En el interior de un servo hay un motor y otros diversos componentes, todos ellos perfectamente empaquetados (véase la Figura 23-2). Si bien no se puede decir que todos los servos sean exactamente iguales, todos tienen estas tres piezas importantes: motor, caja reductora y circuitos de control.

Figura 23-2 Funcionamiento de un motor RC. Una señal de control hace que el motor gire en una dirección u otra, dependiendo de la posición actual del eje de salida.

Señales de control para servos R/C 

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●● Motor. En el corazón del servo hay un motor CC con capacidad para invertir su dirección. ●● Engranajes de reducción. Mediante un sistema de engranajes se reduce la salida de alta velocidad del motor. De esta forma, muchas revoluciones del motor se convierten en una revolución del engranaje de salida y del eje del servo. ●● Circuitos de control. Los engranajes de salida van conectados a un potenciómetro, que es un dispositivo electrónico común parecido al control de volumen de una radio. La posición del potenciómetro indica la posición del engranaje de salida. El motor y el potenciómetro van conectados a una placa de control, y los tres dispositivos forman un bucle de retroalimentación cerrado. El servo se alimenta mediante 4.8 a 7.2 V. Los servos R/C no funcionan conectándolos simplemente a una batería. Para que funcionen, necesitan recibir señales especiales de control. Sin embargo, la realidad es que mediante programación simple, controlar un servo es bastante sencillo. En la Parte 7 se proporcionan numerosos ejemplos de programación.

LIMITACIÓN DE LA ROTACIÓN Como puede imaginarse, los servomotores están diseñados para que su rotación sea limitada, en lugar de hacerlo para rotación continua, como es el caso de los motores CC. Si bien existen servos que giran continuamente, y sin duda podemos modificar alguno para que gire libremente (véase posteriormente en este capítulo), el uso principal de los servos R/C es lograr un posicionamiento rotacional preciso en un rango de hasta 180°. Si bien 180º, medio círculo, puede que no parezca mucho, en la realidad dicho control se puede utilizar para conducir un robot , mover las patas hacia arriba y hacia abajo, rotar un sensor para explorar la habitación, y más. La rotación angular precisa de un servo como respuesta a una determinada señal digital tiene enormes usos en todos los campos de la robótica.

Señales de control para servos R/C Las señales de control que indican al servo que se mueva a una determinada posición tiene la forma de un flujo estable de pulsos eléctricos. La duración exacta de los pulsos, en fracciones de

Figura 23-3 La longitud de los pulsos de control determina la posición angular del eje del servo. El rango de pulsos se mueve entre 1.0 ms (o 1000 µs) y 2.0 ms (2000 µs). Un pulso de 1.5 ms (1500 µs) coloca el eje del servo en el centro.

266   Utilización de servomotores

Figura 23-4 Los pulsos de control se repiten (“refrescan”) a aproximadamente 50 Hz (50 veces cada segundo).

1 ms (una milésima de segundo), determina la posición del servo, como se muestra en la Figura 23-3. Observe que no es el número de pulsos por segundo lo que controla el servo, sino que es la duración de los pulsos lo que importa. Esto es muy importante para entender perfectamente cómo funcionan los servos y cómo controlarlos con un microcontrolador o con cualquier otro circuito. Específicamente, el servo se colocará en su punto medio si la duración del pulso de control es de 1.5 ms. Una duración de los pulsos más larga o más corta indicará al servo que gire en una dirección o en otra. ●● Una duración de 1,0 milisegundo (ms) hace que el servo gire hasta el final en una dirección. ●● Una duración de 2,0 ms hace que el servo gire hasta el final en la otra dirección. ●● Y, como hemos comentado, una duración de 1,5 ms hace que el servo vuelva a su posición central. Los servos necesitan alrededor de 30 a 50 de estos pulsos por segundo, como se muestra en la Figura 23-4. A esto se le llama velocidad de refresco (o trama); si la velocidad de refresco es demasiado lenta, la precisión y potencia del servo se reducen. Si hay demasiados pulsos por segundo, se podrían producir temblores que hicieran que el servo no funcionara correctamente.

LOS PULSOS TAMBIÉN CONTROLAN LA VELOCIDAD Como se ha mencionado, la posición angular del servo viene determinada por la duración de los pulsos. Esta técnica ha recibido muchos nombres a lo largo de los años. Uno que puede que haya oído es el de proporcional digital: el movimiento del servo es proporcional a la señal digital que se le introduce. La potencia proporcionada al motor del servo es también proporcional a la diferencia entre donde se encuentra el eje de salida y donde se supone que deba estar. Si el servo sólo tiene que moverse un poco para colocarse en su nueva ubicación, entonces el motor se maneja a una velocidad relativamente baja. Esto asegura que el motor no se “pasa” de su posición prevista. Pero si el servo tiene que recorrer mucho camino para moverse a su nueva ubicación, entonces debe manejarse a toda velocidad para llegar allí lo antes posible. Cuando la salida del servo se acerca a la nueva posición prevista, el motor se ralentiza. Hay personas que a veces se refieren a los pulsos utilizados para controlar un servo R/C como modulación de ancho de pulso, o PWM. ¡Vale! pero eso, sin duda, puede crear confusión. Técnicamente hablando, los servos R/C emplean lo que mejor podría denominarse como modulación de duración del pulso. Con PWM (que se detalla en el Capítulo 22, “Utilización de motores CC”), es el ciclo de trabajo de los pulsos lo que importa, es decir, la relación de tiempo que

La función del potenciómetro 

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cada pulso está encendido frente a apagado. Los servos R/C no se ocupan ni de ciclos de trabajo ni de relaciones de tiempo. Todo lo que les importa es la duración de los pulsos. Mientras que el servo reciba al menos 20 de estos pulsos por segundo (aunque 50 son mucho mejor), estará contento. Lo que sucede dentro de un servo puede denominarlo como prefiera, siempre que recuerde que las señales PWM de un motor CC no tienen la menor relación con las señales “PWM” utilizadas para controlar un servo R/C. De hecho, si utiliza una señal PWM de las dirigidas a un motor CC, probablemente sobrecalentará y dañará el servo R/C.

VARIACIONES EN RANGOS DE ANCHO DE PULSO Cuando disponen del rango completo de pulsos de tiempo, la mayoría de los servos estándar están diseñados para rotar hacia adelante y hacia atrás de 90º a 180°. En este sentido, la mayoría de los servos pueden girar totalmente 180°, o algo muy próximo a eso. La longitud real de los pulsos utilizados para colocar o posicionar un servo en su posición totalmente a la izquierda o a la derecha varía entre las distintas marcas de servo y, a veces, incluso entre distintos modelos del mismo fabricante. Tendrá que experimentar un poco para averiguar cuál es el rango óptimo de ancho de pulso de los servos que esté utilizando. ¡Esto es parte de lo que hace que la robótica sea tan divertida! El rango de 1 a 2 ms ya incorpora el margen de seguridad para evitar posibles daños al servo. Este rango proporciona únicamente alrededor de 100° de giro, lo que es adecuado para muchas tareas. Pero si desea una rotación completa de parada-a-parada, necesitará aplicar pulsos más cortos y más largos que los de 1 - 2 ms. La longitud exacta dependerá totalmente del servo en concreto que esté utilizando. La rotación completa (hasta la parada) de un modelo y marca determinados de servo puede ser de 0,730 ms en una dirección y de 2,45 ms en la otra dirección. Cuando se utilicen pulsos más cortos o más largos del rango recomendado de 1 - 2 ms, debe prestar especial cuidado. Si intenta manejar un servo más allá de lo que son sus límites mecánicos, el eje de salida del motor probablemente se pare, lo que casi con seguridad hará que los engranajes chirríen o tiemblen. De continuar en este estado durante más de unos cuantos segundos, los engranajes podrían resultar dañados para siempre. El pulso “intermedio” de 1.5 ms puede que no centre con precisión los servos de todas las marcas y modelos. Pequeñas diferencias eléctricas incluso en servos del mismo modelo pueden producir diferencias de minutos en la ubicación de centrado. Las señales de temporización para servos R/C a menudo se indican en milisegundos, pero una unidad de medición más precisa es el microsegundo, o millonésima parte de un segundo. En los capítulos de programación que siguen encontrará con más frecuencia estos pulsos de tiempo para servos indicados en microsegundos. Para convertir milisegundos a microsegundos, simplemente mueva la coma decimal a la derecha tres dígitos. Por ejemplo si un pulso es 0,840 ms, mueva la coma decimal tres posiciones y tendrá 0840, o 840 µs (el cero inicial no es necesario; elimínelo).

La función del potenciómetro El potenciómetro de los servos juega un papel importante a la hora de permitir que el motor fije la posición de su eje de salida, y es por ello que se merece una breve explicación. El potenciómetro va colocado mecánicamente en el eje de salida del servo (en algunos modelos de servo, el potenciómetro es el eje de salida). De esta forma, la posición del potenciómetro

268   Utilización de servomotores

refleja con mucha precisión la posición del eje de salida del servo. El circuito de control del servo compara la posición del potenciómetro con los pulsos que se envían al servo. El resultado de esta comparación es una señal de error. El circuito de control compensa moviendo el motor del servo en una dirección u otra. Cuando el potenciómetro alcanza su posición correcta final, la señal de error desaparece y el motor se para.

Tipos y tamaños de servos para funciones especiales Si bien los servos de tamaño estándar son los que más se utilizan tanto en robótica como en los modelos de radio control, también existen otros tipos, estilos y tamaños de servos de R/C. ●● Los servos de cuarto de escala (o gran escala) son aproximadamente del doble de tamaño de los servos estándar y son significativamente más potentes. Los servos de cuarto de escala son motores de una potencia perfecta para un brazo de robot. ●● Los servos mini y micro son versiones diminutas de los servos estándar y están diseñados para ser utilizados en espacios pequeños de un avión o coche de modelismo… o del robot. No son tan fuertes como los servos estándar. ●● Los servos cabrestante de vela están diseñados para máxima potencia y el objetivo principal es que muevan el timón y las velas de un barco de vela de modelismo. Véase posteriormente en este capítulo la Tabla “Especificaciones típicas de servos”, para una comparación de tamaños de los diversos tipos.

Trenes de engranaje y máquinas propulsoras El motor interior de un servo R/C gira a varias miles de RPM. Esto es demasiado rápido para poder ser utilizado directamente; todos los servos emplean un tren de engranajes para reducir la salida del motor al equivalente de alrededor de 50 a 100 RPM. Los engranajes del servo pueden ser de nailon, de metal o de materiales especiales.

Figura 23-5 Para prolongar la vida del servo, en la parte inferior y/o superior del engranaje de salida del servo pueden colocarse casquillos o rodamientos de bolas.

Eje de salida con casquillos y rodamientos  

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●● Los engranajes de nailon son los más ligeros y menos caros de fabricar. Son adecuados para los servos de propósito general. ●● Los engranajes metálicos son mucho más fuertes que los de nailon y se utilizan donde se necesita fuerza bruta, pero aumentan significativamente el coste del servo. Son recomendables para los robots caminantes más pesados o para grandes brazos de robot. En algunos servos sólo alguno de los engranajes son metálicos; el resto son de un nailon fuerte o de algún otro material plástico. ●● Los engranajes fabricados de materiales especiales incluyen el Karbonite, que puede encontrarse en los servos Hitec. Estos materiales se ofrecen como alternativa más fuerte que el plástico. Existen juegos de engranajes de repuesto para muchos servos, particularmente para los de precios medio a alto (más de 20 €). En caso de que se estropeara algún engranaje, los servos se pueden desmontar y sustituir el engranaje dañado.

Eje de salida con casquillos y rodamientos Además de los mecanismos de conducción, el eje de salida del servo es el que más trabajo y desgaste sufre. En los servos de menor precio, este eje está colocado en un casquillo de resina o plástico, que, obviamente, puede desgastarse con bastante rapidez si el servo se utiliza mucho. Un casquillo es una pieza o anillo que sostiene el eje contra la carcasa del servo. Los casquillos metálicos, fabricados normalmente de latón impregnado de lubricante (conocidos a veces como Oilite, una marca comercial), duran más pero aumentan el coste del servo. Los mejores servos van equipados con rodamientos de bolas, que son los que más duran. Cuando vea los servos, verá que a menudo traen alguna indicación referida al tipo de rodamiento, bien de casquillo o de bolas, y de si es metálico o de plástico. También podrá ver alguna indicación de “Superior” o “Inferior”; esto se refiere al hecho de que los casquillos o rodamientos se encuentren en la parte superior y/o inferior del engranaje de salida (lo mejor es en ambos, superior e inferior), como el que se muestra en la Figura 23-5.

Especificaciones típicas de servos Los servomotores R/C cuentan con una cierta estandarización. Es el caso, sobre todo, de los servos estandarizados, que miden aproximadamente 40 x 3 x 35 mm. En el caso de los restantes tipos de servos, el tamaño varía algo según las marcas, ya que éstos se diseñan para tareas especiales. La Tabla 23-1 describe las especificaciones de varios tipos de servos, incluyendo dimensiones, peso, par motor y velocidad. Por supuesto, excepto el tamaño de los servos estándar, estas especificaciones pueden variar según marcas y modelos. En cualquier caso, tenga en cuenta que hay variaciones en las características genéricas de todas las clases de servos R/C. Dos de los términos utilizados en las especificaciones requieren una explicación adicional. ●● Como hemos explicado en el Capítulo 21, “Selección del motor adecuado”, el par motor es la cantidad de fuerza que ejerce un motor. Los servos tienen un par motor muy alto gracias a sus engranajes internos. ●● El tiempo de tránsito o velocidad de rotación, es el tiempo aproximado que requiere el servo

270   Utilización de servomotores

Tabla 23-1 Especificaciones típicas de servos Tipo servo

Largo

Ancho

Alto

Peso

Par motor

Tiempo tránsito

Estándar

4,1 cm

2 cm

3,6 cm

36,8 g

3,0 kg-cm

0,23 s/60º

¼ escala

5,8 cm

2,8 cm

5,1 cm

96,4 g

9,4 kg-cm

0,21 s/60º

Mini-micro

2,2 cm

1 cm

2 cm

8,5 g

1,0 kg-cm

0,11 s/60º

Bajo perfil

4,1 cm

2 cm

2.5 cm

45,3 g

4,32 kg-cm

0,16 s/60º

Cabrestante de vela pequeño

4,6 cm

2,5 cm

4,3 cm

82,2 g

9,72 kg-cm

0,16 s/60º 1 s/360º

Cabrestante de vela grande

5,8 cm

2,8 cm

5,1 cm

5.5 kg

14,0 kg-cm

0,22 s/60º 1,3 s/360º

para girar el eje un cierto número de grados, normalmente 60°. Cuanto mayor sea el tiempo de tránsito, más rápida será la actuación del servo. Se pueden calcular las RPM equivalentes multiplicando el tiempo de tránsito de 60° por 6 (para obtener una rotación completa de 360°), luego dividir el resultado entre 60. Por ejemplo, si un servomotor tiene un tiempo de tránsito de 60° de 0,20 segundos, eso es una revolución en 1,2 segundos (0.2 × 6 = 1,2), o 50 RPM (60 / 1. 2 = 50).

Tipos de conectores y su cableado Si bien algunas especificaciones de los servos pueden variar de un modelo a otro, lo que sí se encuentra bastante estandarizada son los conectores utilizados para enchufar los servos a sus receptores.

TIPO DE CONECTOR En los servos R/C encontramos básicamente tres tipos principales de conectores: ●● “J” o estilo Futaba ●● “S” o estilo Hitec/JR ●● “A” o estilo Airtronics Los servos fabricados por los principales fabricantes de servos, Futaba, Airtronics, Hitec y JR, emplean el estilo de conector popularizado por los propios fabricantes. Además, los servos fabricados por empresas de la competencia pueden encontrarse normalmente en diversos estilos de conectores, existiendo también adaptadores de conectores.

DISTRIBUCIÓN DE PINES La forma física del conector es sólo una de las consideraciones. El cableado de los conectores (llamado patillaje o distribución de pines) es también crítico. Afortunadamente, todos los servos,

Tipos de conectores y su cableado 

  271

salvo los Airtronics “del viejo estilo” (y los poco usuales servos de cuatro cables) utilizan los mismos pines, como se muestra en la Figura 23-6. Con muy pocas excepciones, los conectores de los servos R/C utilizan tres cables, que proporcionan masa, alimentación CC (+V) y señal. El pin de alimentación CC +V se encuentra prácticamente siempre en el centro; de esta forma, si por alguna razón conecta el servo al revés, hay menos posibilidades de daño. (Una excepción a eso son los que se denominan “Airtronics del viejo estilo”, un esquema de cableado que ya no se utiliza. Podría encontrarlos si tiene algún servo Airtronics de los modelos más antiguos).

CODIFICACIÓN POR COLORES

Figura 23-6 Conector estándar de tres pines utilizado en la gran mayoría de servomotores R/C. El conector puede ser o no de los de “encajar” utilizando una muesca o ranura.

La mayoría de los servos utilizan códigos de colores para indicar la función de cada cable de conexión, aunque los colores reales utilizados para los cables varían entre las distintas marcas de servos. Uno de los códigos de colores más comunes es: ●● ●● ●●

Blanco, naranja o amarillo: Señal Rojo: +V (alimentación CC) Negro o marrón: Masa

USO DE CONECTORES POSTE EN LUGAR DE LOS POLARIZADOS DE LOS SERVOS Los servos R/C y sus receptores correspondientes utilizan conectores polarizados para evitar que éstos se conecten al revés. Los conectores polarizados son bastante caros, y la mayoría de las personas utilizan en su lugar conectores poste de 2.54 mm de paso comunes en electrónica.

Figura 23-7 Conectores poste macho estándar, versus los de pines largos en ambos extremos. La versión de los pines largos se utiliza para conectar los servos RC, por ejemplo, a una placa de pruebas (protoboard).

272   Utilización de servomotores Éstos se pueden comprar en cualquier tienda de suministros electrónicos local u online, y valen a céntimo la pieza. Para un servo, corte tres pines de la tira y suéldelos a la placa del circuito. Dado que los conectores poste carecen de polarización, es posible conectarlos al revés. Para evitarlo, marque cómo debe enchufarse el conector del servo a los pines poste. Afortunadamente, invertir el conector probablemente no cause ningún daño ni al servo ni a la electrónica, puesto que invertir el conector simplemente cambia los cables de señal y masa. Esto no es cierto en los conectores Airtronics del “viejo estilo”: si invierte este conector, se cambian las líneas de señal y alimentación CC (+V). En este caso, tanto el servo como la electrónica de control pueden resultar irreparablemente dañados.

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Si cablea los pines de los conectores de forma errónea, podrían producirse daños, y posiblemente se produzcan. Si invierte los pines Masa y +V, en unos segundos el servo se habrá estropeado para siempre, y puede incluso que de muerte violenta. He visto saltar en pedazos la parte inferior de servos que se han conectado al revés en un circuito.

También puede usar los conectores poste con las placas de prueba (protoboard) para conectar de forma rápida y sencilla los servomotores al resto de la electrónica del robot. Para ello utilice mejor la versión de los pines largos en ambos extremos (Figura 23-7).

Servos analógicos versus digitales Los servos R/C más comunes, y más asequibles, son analógicos, lo que significa que su electrónica de control utiliza circuitos tradicionales para controlar el motor. Los servos digitales utilizan microcontroladores en la placa para mejorar su funcionamiento. Entre las características añadidas de los servos digitales se incluye mayor potencia y capacidad de programación. Por ejemplo, si dispone de un programador externo adecuado (adquirido por separado, a un coste extra), es posible controlar la velocidad máxima del servo, o hacer que el servo arranque siempre en una posición determinada. Excepto para los par motor más altos, desde el punto de vista de las aplicaciones, hay pocas diferencias entre un servo analógico y uno digital. Ambos se controlan de la misma forma. No obstante, el par motor superior de un servo digital hace que el motor consuma más corriente de su fuente de alimentación, lo que significa que las baterías tienden a no durar tanto entre recargas. Para la mayoría de las aplicaciones de robótica, no hacen falta servos digitales. Puede funcionar igualmente con los servos analógicos estándar más baratos. Una excepción es cuando esté construyendo un robot caminante, en los que el par motor extra de los servos digitales resulta práctico. Los robots caminantes de seis patas pueden utilizar 12 e incluso 18 servos sólo para las patas. El par motor más alto ayuda a compensar el peso añadido de todos estos servos.

Electrónica para controlar un servo Al contrario que los motores CC, que funcionan simplemente colocándoles una batería, los servomotores requieren una electrónica de interfaz adecuada para hacer girar su eje de salida. Si bien la necesidad de tener que contar con electrónica de interfaz puede complicar en cierto grado el uso de los servos, la electrónica es en realidad bastante simple. Y si tiene pensado manejar sus servos con un PC o una placa de microcontrolador (como Arduino, PICAXE o BASIC Stamp), todo

Electrónica para controlar un servo 

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Figura 23-8 Diagrama general de conexión de un servo a un microcontrolador. La resistencia de 470 a 1 kΩ es opcional, y se incluye para evitar que el servo consuma demasiada corriente.

lo que necesita para que funcionen son unas cuantas líneas de software. Normalmente, un motor CC necesita transistores de potencia, MOSFETs, o relés para conectarse a un ordenador. Los servos, por su parte, se pueden acoplar directamente a un circuito o microcontrolador sin electrónica adicional. Son los circuitos de control del servo los que se ocupan de gestionar todo lo relacionado con la alimentación, ahorrándole el trabajo. Esta es una de las principales ventajas de la utilización de servos en los robots controlados por ordenador.

CONTROL DE UN SERVO MEDIANTE UN MICROCONTROLADOR Para controlar un servo R/C se pueden utilizar todos los microcontroladores. El esquema de conexión básico se muestra en la Figura 23-8. ●● El microcontrolador y el servo pueden compartir la misma fuente de alimentación, suponiendo que el controlador tenga un regulador instalado, aunque es mucho mejor utilizar una fuente independiente para el servo. ¿Por qué? Los servos requieren mucha corriente cuando se encienden por primera vez o están en movimiento. Al utilizar fuentes independientes, una batería de 9 V para el controlador regulado de tensión, por ejemplo, y un juego de cuatro pilas AA para el servo, evitará encontrarse con problemas de líneas de alimentación. ●● Cuando utilice fuentes de alimentación independientes, asegúrese de conectar entre sí las conexiones a masa de estas fuentes. En caso contrario, su servidor no funcionará correctamente. ●● Para manejar el servo sólo se necesita una línea de entrada/salida (E/S) del microcontrolador. Si lo desea puede insertar una resistencia opcional de 470 Ω (ohmios) de 1/8 W en serie entre el controlador y la entrada Señal del servo. Esto ayuda a proteger al microcontrolador en caso de que el servo tuviera algún (improbable) problema eléctrico. Asegúrese de alimentar los servos utilizando un portapilas independiente. Conéctelo como se indica. También podría añadir un condensador de tántalo de 1 a 22 µF entre las tomas +V y masa de la fuente alimentación del servo para ayudar a eliminar el ruido inducido en la electrónica cuando se encienda y se apague el servo.

274   Utilización de servomotores Los condensadores de tántalo están polarizados. Asegúrese de conectar el positivo del condensador al pin +V del servo. Para más información acerca de los condensadores de tántalo u otros tipos, véase el Capítulo 31, “Componentes electrónicos comunes para robótica”.

INF

Véanse los capítulos de la Parte 7, “Cerebros de microcontrolador” para ver diagramas específicos de conexión y código de programación para la utilización de servos con los microcontroladores Arduino y otros. Asegúrese de visitar también la página web de soporte RBB Online Support (véase el Apéndice A) para obtener ejemplos adicionales de programación.

UTILIZACIÓN DE UN CONTROLADOR SERIE DE SERVO Incluso los microcontroladores más rápidos tienen problemas a la hora de generar señales para más de 8 o 10 servos al mismo tiempo, y podría perfectamente tener ese número, ¡o incluso más! si está diseñando un robot caminante de seis patas. Incluso en el caso de que su microcontrolador fuera un as de la velocidad y de que no tuviera problemas creando pulsos para 12, 18 o incluso 24 servos, puede que no desee utilizarlo para esa tarea. En su lugar, seguramente prefiera utilizar un controlador serie de servo dedicado. Actúa como un coprocesador generador de pulsos. Los controladores de servo se conectan al microcontrolador a través de una línea de comunicaciones serie. Utilizando código de programación (se proporcionan ejemplos con la unidad que compre) enviará comandos a cada servo, indicándole que se mueva a una cierta posición. El trabajo de crear los pulsos adecuados a tiempo es la tarea del controlador del servo, lo que libera al microcontrolador de hacerlo para que pueda dedicarse a menesteres más importantes.

PROYECTO EXTRA: CONTROL DE UN SERVO MEDIANTE UN CI TEMPORIZADOR LM555, Y MAS Véase la página web de soporte RBB Online Support, en la que encontrará métodos adicionales de controlar un servo R/C, incluyendo la utilización de un CI temporizador LM555, ejemplos prácticos de la utilización de varios controladores serie de servo muy conocidos (como el Lynxmotion SCC-32) y más. Véase el Apéndice A para obtener detalles sobre cómo acceder a la página web de soporte RBB Online Support.

UTILIZACIÓN DE MÁS DE 7.2 V Los servos están diseñados para ser utilizados con las baterías recargables utilizadas en R/C, que proporcionan entre 4.8 y 7.2 V, dependiendo del número de elementos que tengan. Los servos admiten una relativa amplia libertad de voltaje de entrada, y los 6 V de un portapilas de cuatro pilas AA proporcionan más que suficiente líquido elemento. Según se vayan acabando las pilas o baterías, el voltaje caerá, y observará que los servos no serán ni tan rápidos ni tan fuertes como solían ser. ¿Pero, qué pasa si se quiere ir más allá del voltaje de las baterías recargables típicas utilizadas para los modelos R/C? Por supuesto, algunos servos pueden ser manejados a 7.2 V, pero compruebe siempre los datos técnicos que vienen con los servos que esté utilizando. A menos que necesite disponer de par motor extra o de velocidad extra, es mejor mantener el voltaje de alimentación a los servos a no más de 7.2 V, y, preferiblemente, entre el rango indicado de 4.8 a 6 V especificado en la documentación de los fabricantes.

Utilización de servos de giro continuo 

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TRABAJAR CON Y EVITAR LA “BANDA MUERTA” A pesar de las referencias a la muerte dulce, todos los servos presentan lo que se conoce como una banda muerta. La banda muerta de un servo es la máxima diferencia de tiempo entre la señal de control de entrada y la señal de referencia interna producida por la posición del potenciómetro. Si la diferencia resultante es inferior a la banda muerta, digamos, 5 ó 6 microsegundos, el servo ni siquiera se molestará en intentar avisar al motor para que corrija el error. Sin la banda muerta, el servo seguiría “buscando” hacia adelante y hacia atrás para encontrar la posición exacta entre la señal de entrada y su propia señal de referencia interna. La banda muerta permite al servo minimizar esta búsqueda, colocándose en una posición cercana, que puede que no sea exacta, a la que se supone que debería estar. La cantidad de banda muerta varía y a veces se menciona como parte de las especificaciones del servo. Una banda muerta típica suele ser 5 µs. Si el servo tiene un desplazamiento completo de 180° sobre un rango de 1000 µs, entonces la banda muerta de 5 µs es igual a 1/200. Si el circuito de control tiene una resolución superior a la banda muerta, entonces los pequeños cambios en los valores del ancho de pulso puede que no produzcan ningún efecto. Por ejemplo, si el controlador tiene una resolución de 2 µs, y el servo tiene una banda muerta de 5 µs, podrá realizar cambios en el ancho de pulso en incrementos de no menos de 5 µs.

Utilización de servos de giro continuo Hasta ahora sólo hemos hablado de servos diseñados para girar una porción de un círculo. Estos se utilizan cuando se requiere un posicionamiento angular preciso, como por ejemplo, escanear un sensor de lado a lado. Pero los servos R/C también pueden girar continuamente, bien por diseño o bien mediante alguna modificación que realice usted mismo. Los servos R/C son fantásticos motores de conducción para los robots. Tienden a ser de menor precio que los motores de engranajes CC equivalentes de las mismas especificaciones, y vienen con su propia electrónica de control. Sin duda, merece la pena que los tenga en cuenta para su próximo robot. Los servos de giro continuo actúan igual que los motores CC normales con engranajes, con la única excepción de que para controlarlos hay que seguir mandándoles los pulsos al motor. ●● ●● ●● ●●

Para hacer que el motor vaya en una dirección, envíe pulsos de 1 ms. Para hacer que el motor vaya en la dirección contraria, envíe pulsos de 2 ms. Para hacer que el motor vaya cada vez más despacio, hasta parar, envíe pulsos de 1.5 ms. Para hacer que el motor se pare del todo, deje de enviar pulsos.

Detener el motor dejando de enviar pulsos funciona para todos los servos, excepto los digitales. Con la mayoría de los servos digitales, cuando se dejan de enviar pulsos, el servo simplemente continuará con la última posición correcta que haya recibido. Probablemente no utilizará servos digitales para rotación continua, con lo que este problema raramente se producirá en la vida real. Simplemente, téngalo presente, por si acaso.

A la hora de publicar este libro, sólo existe un pequeño grupo de servos fabricados para rotación continua. Entre éstos se incluye el GWS S-35, el Servo de Rotación Continua de Parallax, y el SpringRC SM-S4303R. Estos pueden adquirirse en distintos distribuidores online; véase el Apéndice B, “Sitios de componentes por Internet” para obtener más información.

276   Utilización de servomotores

Modificación de un servo estándar para giro continuo Prácticamente, cualquier servo se puede convertir para giro continuo. Una vez modificado, ya no pueden realizar una rotación angular precisa, pero son perfectamente adecuados para manejar motores para robots con ruedas y con orugas. Existen diversos métodos para modificar los servos R/C para que giren continuamente. El proceso conlleva quitar los topes mecánicos y, en el caso de algunos casos de cirugía de servo, realizar un cambio dentro de las conexiones eléctricas.

FORMAS DE MODIFICAR UN SERVO Los servos R/C se pueden modificar de muchas formas. En orden inverso de dificultad: ●● Modificación del tren de engranajes. Para esta modificación, se quita completamente la electrónica de control y el motor se maneja mediante un puente H externo. Se quitan los topes del tren de engranajes, y el potenciómetro, o bien se quita o se le desengancha del eje del servo. Esto supone mucho trabajo, y la mayoría de la gente ni se molesta. ●● Modificaciones de cambio de señales. En esta conversión, la electrónica del servo permanece, pero, como siempre, los topes mecánicos se quitan y el potenciómetro se desengancha. En esta variante, el ordenador o el microcontrolador del robot se conecta al chip de puente H del circuito del servo. No obstante, no todos los servos son igualmente adaptables. Existen varias páginas de Internet que detallan este proceso de modificaciones en el CI BAL6686 Hbridge, utilizado en ciertos modelos Futaba y en otros servos. Lo mejor es que haga una búsqueda en la web de “BAL6686” y verá que existen diversas páginas útiles que lo describen. ●● Modificación del potenciómetro. En este caso todos los circuitos de control se dejan como están, pero el potenciómetro o bien se quita completamente (y se sustituye con un par de resistencias) o se desengancha del tren de engranajes. Ésta es la modificación más sencilla, y la más común. De todos estos métodos, vamos a hablar sólo del último, ya que los restantes tienen usos más restrictivos y son mucho más difíciles. La modificación del potenciómetro que sigue es relativamente rápida y sencilla, no requiere soldadura, y sólo requiere herramientas básicas.

INSTRUCCIONES BÁSICAS DE MODIFICACIÓN La modificación del servo varía ligeramente entre marcas y modelos, pero los pasos básicos son los mismos: 1. Quite la carcasa del servo para dejar expuesto el tren de engranaje, el motor y el potenciómetro. Esto se realiza quitando los cuatro tornillos de la carcasa del servo y separando la parte superior e inferior. 2. Lime o corte en la parte de abajo del engranaje de salida que impide la rotación completa. Normalmente, esto significa quitar uno o más engranajes, por lo que debe de tener cuidado para no perder ninguna pieza. Si es necesario, haga un pequeño boceto del diseño del engranaje para que pueda volver a colocar las cosas en su sitio. 3. Quite el clip de retención de la parte de abajo del engranaje de salida. Al hacerlo desengancha el potenciómetro del engranaje, con lo que éste deja de girar cuando lo hace

Modificación de un servo estándar para giro continuo 

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el engranaje. En algunos servos no hay clip de retención; el servo se engancha en una chaveta moldeada en la parte de abajo del engranaje. En estos, necesitará taladrar cuidadosamente la parte de abajo del engranaje. 4. Vuelva a montar la carcasa. En la siguiente sección encontrará instrucciones de modificación detalladas para el Hitec HS-422, pero las mismas instrucciones se aplican a muchos otros servos, como el venerable Futaba S-148 y el GWS S03. Con las mismas o pocas variaciones, los pasos que siguen se pueden aplicar a servos con diseños parecidos.

HERRAMIENTAS NECESARIAS Necesitará las siguientes herramientas para llevar a cabo el proceso de conversión: ●● ●● ●● ●●

Destornillador de estrella del #0 Destornillador de cabeza plana de 3 mm o inferior Cortadores: cúter, cuchillas X-Acto, sierra Lima pequeña plana de joyero

SELECCIÓN DEL SERVO A MODIFICAR Los mejores servos, desde el punto de vista de la facilidad para modificarlos: Tienen un rodamiento de bola inferior o casquillo que aguanta el engranaje de salida. Como mínimo, el engranaje de salida debe ser aguantado por un borde moldeado, en lugar de directamente sobre el eje del potenciómetro. Tienen un clip de eje de potenciómetro desmontable. El clip se puede quitar con facilidad para desenganchar el engranaje de salida del eje del potenciómetro. Los servos que carecen de un clic desmontable utilizan en su lugar un canal moldeado en el que se coloca el potenciómetro. Este es el caso del Hitec HS-311 y del Futaba S-3003. Si su servo es de este tipo de construcción, necesitará taladrar con cuidado la parte de abajo del engranaje de salida para quitar la chaveta, como se detalla posteriormente en este capítulo. Tienen un engranaje de salida de plástico, en lugar de uno metálico. Los mejores y más robustos servos utilizan un engranaje de salida metálico. Si bien el metal es capaz de aguantar una mayor presión, es mucho más difícil de modificar. Si el servo que seleccione utiliza un engranaje de salida metálico, una herramienta motorizada para aficionados como el Dremel hará que el trabajo de rebajar o limar el fondo sea mucho más fácil. Son de tamaño normal o más grande. Los mini y micro servos son más difíciles de modificar. Puede que estropee uno o dos de ellos antes de que le coja el truco.

PASOS PARA MODIFICAR UN HITEC HS-422 El Hitec HS-422 es un buen servo de la gama media: barato, disponible en cualquier sitio, y bien hecho. Emplea casquillos de chapa superior e inferior impregnados de aceite, y un clic desmontable en la parte de abajo del engranaje de salida. ¡Perfecto! Al seguir las indicaciones del texto que sigue, tenga cuidado para evitar llevarse impregnado en los dedos demasiado lubricante del utilizado para los engranajes internos del servo. Si cree que se ha perdido mucho lubricante, siempre podrá añadir un poco antes de volver a montarlo. En cualquier tienda de hobbies de las que venden componentes para R/C puede encontrar grasa para engranajes transparente (o blanca). Extienda el aceite con moderación. No utilice el lubri-

278   Utilización de servomotores cante en pulverizador como el WD-40. Antes de realizar la modificación, compruebe el funcionamiento correcto del servo, simplemente para estar seguro de que funciona antes de empezar. Aunque es raro, algunos servos no funcionan cuando se sacan de la caja. Una vez que se ha modificado, no podrá devolver el servo para que se lo cambien en garantía.

1. Utilizando un destornillador de estrella, desmonte la rueda de acoplamiento, si la lleva el servo. 2. Desatornille los cuatro tornillos de la carcasa de la parte inferior del servo. Si le entorpecen para el siguiente paso, puede mantener los tornillos en su sitio en la parte inferior de la carcasa. Desatornille sólo lo que necesite para sacar la tapa de la carcasa del servo. Tenga en cuenta que en algunos servos, especialmente en la serie S03 de GWS, los tornillos de la carcasa se quitan desde la parte superior, y deben quitarse totalmente y dejarlos a un lado mientras trabaja. 3. Observe la orientación de todos los engranajes. Saque el engranaje central, teniendo cuidado de no desmontar su eje metálico. En la mayoría de los servos, el engranaje central no se puede quitar con facilidad sin tener que levantar también el engranaje de salida al mismo tiempo. Deje a un lado el engranaje central. 4. Quite el engranaje de salida. 5. Utilizando unos pequeños alicates de corte, cuchillas de X-Acto, o sierra, corte el tope del lado superior del engranaje de salida. Yo prefiero el cúter, pero ¡tenga cuidado si corta con herramienta eléctrica! Cuanto más duro es el plástico, más posibilidades hay de que el tope se rompa si usa gran velocidad. Use protección para los ojos. Corte siempre primero en el lado largo, para evitar una posible rotura del engranaje, y vaya cortando los trozos poco a poco. Cuando utilice una hoja de sierra o una sierra, tome las precauciones adecuadas para evitar cortarse. Trabaje despacio. 6. Lo más probable, con independencia de la técnica de corte que utilice, es que al cortar quede algún resto. Esto se puede limar con una pequeña lima plana. 7. Utilice el destornillador pequeño para quitar la arandela metálica de fijación de la parte de abajo del engranaje de salida. Esta arandela retiene el clip del eje del potenciómetro y también sirve como superficie de rodamiento. 8. Utilice el destornillador pequeño para quitar el clip de retención. 9. Vuelva a colocar la anilla de retención en el engranaje de salida. 10. Alinee el eje del potenciómetro para que quede centrado. Si es necesario, gírelo hacia adelante y hacia atrás hasta encontrar la posición central. 11. Como paso opcional, podría conectar el servo al circuito de control. Aplíquele pulsos de 1.5 ms (1500 µs). Si el motor gira (aunque sea lentamente) gire el eje del potenciómetro hasta que se “anule” toda la rotación. 12. Una vez colocado en el centro, puede dejar el eje como está o aplicar una pequeña gota de pegamento de cianoacrilato (Super Glue) para mantenerlo en su sitio. No aplique demasiado pegamento, o podría dañar el potenciómetro. 13. Vuelva a montarlo colocando el engranaje de salida en su sitio sobre el potenciómetro. Vuelva a colocar el engranaje central, y observe que todos los engranajes encajan de forma adecuada. Añada un poco de aceite, si fuera necesario. Finalmente, vuelva a colocar la carcasa superior y los cuatro tornillos. No apriete los tornillos excesivamente. Pruebe que el servo funciona correctamente conectándolo al circuito de control. Una serie de pulsos de 1.5 ms deberían detener el servo. Una señal de pulsos de 1.0 ms debe hacer girar

Modificación de un servo estándar para giro continuo 

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el servo en una dirección; pulsos de 2.0 ms deben hacer girar el servo en la dirección contraria. Estos pasos son virtualmente los mismos para otros conocidos servos de bajo coste, incluyendo el Futaba S-148 y la serie 03 de los servos de GWS.

PASOS PARA MODIFICAR UN SERVO FUTABA S3003 El Futaba S3003 es una alternativa de bajo coste a los servos con casquillos metálicos o rodamientos de bolas. Como ocurre con muchos servos de este tipo, no utilizan un clip de retención para el potenciómetro. Necesitará taladrar la parte de abajo del engranaje para soltarlo del potenciómetro. 1. Siga los pasos 1 a 6 del procedimiento anterior. 2. Utilizando un plato de fijación en estrella de repuesto (cuanto más grande, mejor), colóquelo en el engranaje de salida utilizando el tornillo de montaje que se proporciona con el servo. 3. Por el contrario, para los pasos 7 a 9, perfore con cuidado la parte de abajo del engranaje de salida con una broca de 4.8 mm (aprox.). Quite todo el plástico que sea necesario para que el eje del potenciómetro no roce en la parte inferior del engranaje. Utilice un taladro de banco si lo tiene. Véase la Figura 23-9. Si no tiene uno, haga que alguien le sostenga el engranaje de salida (véase la nota a continuación) mientras taladra la chaveta. 4. Complete el resto de los pasos anteriores. Cuando taladre la chaveta en la parte inferior del engranaje, mantenga estable el engranaje fijando con una mordaza el plato de fijación del servo, no el engranaje, mediante unos alicates fuertes. No sujete por el eje ni por la superficie del engranaje, ya que esto podría romper el plástico y acabaría con un servo funcionando incorrectamente. Asegúrese de no abrir o taladrar demasiado, o estropeará el engranaje.

PRUEBA DEL SERVO MODIFICADO Tras volver a colocarlo, pero antes de conectar el servo a un circuito de control, deberá probar el trabajo que ha realizado para estar seguro de que el eje de salida del servo gira con suavidad. Esto puede hacerlo colocando un disco de control o un plato de fijación en el eje de salida del

Figura 23-9 Si modifica un servo en el que la ranura para el eje del potenciómetro está moldeada en el plástico del engranaje de salida, coloque el engranaje en un plato de fijación de servo y taladre la parte inferior con una broca de 4.8 mm. Sostenga el plato de fijación del servo con unos alicates.

280   Utilización de servomotores servo. Gire lentamente y con cuidado el plato y observe si se tambalea. No lo gire demasiado rápidamente, ya que esto creará una tensión innecesaria en los engranajes. Si observa algún tipo de roce mientras gira el disco o plato, podría significar que no ha quitado del todo el tope mecánico del engranaje de salida. Desmonte el servo lo suficiente para poder acceder al engranaje de salida y corte o lime un poco más.

LIMITACIONES DE LOS SERVOS MODIFICADOS Modificar un servo para giro continuo conlleva sus limitaciones, excepciones y “matices” que debe tener en cuenta: ●● Los servos medios no están diseñados para ser utilizados de forma continua indefinidamente. Probablemente, la mecánica del servo se gaste tras quizás sólo unas 25 horas (tiempo total transcurrido, que para un robot es bastante tiempo), dependiendo de la carga que tengan que soportar los servos. Los modelos con engranajes metálicos y/o casquillos de latón o rodamientos de bolas duran más. ●● Los servos de tamaño estándar no son particularmente fuertes en comparación con muchos otros motores CC con caja reductora. No espere que un servo estándar pueda mover un robot de 3 a 5 kilos. Si su robot es pesado, plantéese utilizar o bien un servo mayor y de mayor potencia (como los de ¼ de escala, o de cabrestante de vela) o, incluso mejor, motores CC con caja reductora incorporada. ●● Por último, y no por ello menos importante, recuerde que modificar un servo anula la garantía.

Utilización de servomotores para torretas de sensores Después de toda esta charla sobre la utilización de servos R/C como motores de conducción de robots, es fácil olvidar para lo que se crearon en primer lugar: para control y posición de precisión. Una aplicación robótica común es la torreta de sensores, llamada así porque actúa como torreta giratoria (como la torre giratoria de un cañón) para uno o más sensores del robot. Los sensores típicos para torretas incluyen los de detección de proximidad ultrasónicos e infrarrojos, que se detallan en el Capítulo 43, “Detección de distancia y proximidad”. El concepto de las torretas de sensores giratorios es simple: coloque un sensor en la parte superior del servo y, a continuación, “explore” hacia un lado y hacia otro alternan-do la posición del servo hacia la izquierda y hacia la derecha. Una forma simple de montar un sensor es hacerlo encima de la plato de fijación del servo. Puede utilizar cinta de doble cara, pegamento de pegar en caliente, o incluso una goma elástica (dele un par de vueltas) para fijar el sensor al plato. O también puede utilizar un soporte especial para sensores, como el que se muestra en la Figura 23-10. Hay soportes de sensores de todas las formas y tamaños; el que se muestra en la imagen está diseñado para la el típico sensor ultrasónico de Figura 23-10 Un servo utilizado para girar dos transductores, como el Devantech SRF05 o el Parallax Ping. un sensor montado en un soporte.

Utilización de servomotores para torretas de sensores 

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Los agujeros de la parte posterior del soporte permiten que pasen por ellos los cables. Puede montar el servo en el robot utilizando diversos métodos. La cinta aislante y el pegamento son siempre opciones, pero yo prefiero las fijaciones mecánicas que se puedan colocar y volver a quitar con facilidad; los tornillos hacen más sencilla la construcción y los cambios en los robots.

Cap

Capítulo

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Experimentar con pinzas robóticas

L

os brazos no pueden hacer mucho sin manos. En el mundo de la robótica, a las manos se les suele llamar pinzas (también efectores terminales) porque la palabra describe con más precisión su función. Pocas manos robóticas pueden manipular objetos con el control motorizado de precisión de una mano humana; las primeras simplemente atrapan el objeto, de ahí su nombre de pinza. Pero no nos atasquemos con la semántica; yo utilizo los términos manos y pinzas de forma intercambiable. Existen numerosos diseños de pinzas y no hay ningún diseño en particular que sea válido para todas las aplicaciones. Cada técnica de pinza tiene ventajas únicas sobre las demás, y lo aconsejable es utilizar la pinza adecuada para la aplicación adecuada. Este capítulo describe varios diseños útiles de pinza que puede utilizar para sus robots. La mayoría de ellos son bastante sencillos de construir; algunos incluso utilizan juegos o juguetes de plástico baratos. Los diseños de pinza se ocupan sólo de los mecanismos de los dedos o de agarrar.

Concepto de la pinza básica En el mundo de la robótica existen cientos de formas de construir una pinza. Los diseños tienden a ser específicos para la aplicación: como el del Capitán Cook en Peter Pan, un gancho metálico ofrece ventajas que una mano normal no tiene. Se puede diseñar una pinza perfectamente útil para una única tarea, específica para la que se haya construido el robot, como recoger pelotas de pin-pon o mover piezas de ajedrez. La Figura 29-1 muestra una pinza robótica típica, mostrada en tres estados distintos: completamente abierta, a medio abrir y completamente cerrada. Este estilo de pinza utiliza “dedos” que permanecen paralelos cuando se abren o se cierran. El diseño permite a la pinza aplicar una presión uniforme en ambos lados de un objeto y cerrar sobre el objeto sin que lo aleje al empujar. El mecanismo no es difícil, pero puede verse que añade un poco de complejidad a la construcción de la pinza. Para resultar útiles, la mayoría de las pinzas se colocan en el extremo de un brazo. Si el brazo

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374   Experimentar con pinzas robóticas

Figura 29-1 Pinza robótica en tres estados: completamente abierta, cerrada, y a medio abrir. En cada caso, los “dedos” de la pinza siguen estando paralelos.

Figura 29-2 Las pinzas se pueden montar directamente sobre la base del robot y utilizarla en aplicaciones especiales, como recoger y sostener pelotas, latas o huevos.

se encuentra en una base con ruedas, el robot puede ir oteando la sala buscando cosas para recogerlas y examinarlas. Si la pinza se orienta de forma vertical u horizontal mediante un mecanismo de muñeca giratoria, el robot puede agarrar todo tipo de objetos. No hay ninguna regla que diga que la pinza deba ir colocada en un brazo; se puede conectar directamente en el propio robot. La Figura 29-2 muestra una pinza de “dos dedos” en la parte delantera de una base de robot que recoge pelotas. Una hendidura semicircular en la parte delantera del robot sirve para capturar la bola, y una pinza mantiene la bola en su sitio mientras el robot recorre la sala.

Pinza de dos dedos La pinza de dos dedos consta de dos dedos movibles, algo parecido a la pinza de una langosta. En esta sección se describen los pasos para construir varios modelos.

MODELO BÁSICO Para facilitar la construcción, la pinza básica con dos dedos la construimos partiendo de piezas adicionales del juego de construcción Erector (también pueden utilizarse las piezas de los componentes de algún otro juego de construcción similar). Corte dos tiras metálicas de 115 mm (dado que este es un juego de construcción Erector de tamaño estándar, puede que no tenga que

Pinza de dos dedos 

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Figura 29-3 Detalle de construcción de la pinza básica con dos dedos, fabricada con piezas del juego de construcción Erector (o similar).

hacer ningún corte). Corte también un ángulo de 90 mm. Utilice tornillos M3 o M3,5 × 12 mm y tuercas para crear dos articulaciones que pivoten entre sí. Corte dos trozos de una longitud de 10 mm y móntelas (véase la Figura 29-3). Recorte las esquinas de ambas piezas para evitar que se toquen la una a la otra. Corte dos o tres agujeros en un extremo para crear una ranura. Como se indica en la Figura 29-4, utilice tornillos M3 o M3,5 × 12 mm y tuercas para crear articulaciones que pivoten en los dedos. La pinza básica está terminada. Ahora puede hacer que funcione de diversas formas. Una forma es montar un pequeño ojete entre las dos articulaciones giratorias sobre las piezas en ángulo. Pase dos pequeños cables a través del ojete y coloque los cables. Conecte el otro extremo de los cables a un solenoide o al eje de un motor. Utilice un muelle de poca compresión para forzar la separación de los dedos cuando el solenoide o motor no esté activado. Puede añadir almohadillas a los dedos utilizando los anclajes de esquina que se incluyen en la mayoría de los juegos de construcción Erector y luego colocar burlete de ventana o pies de goma en el anclaje. La pinza terminada debe parecerse a la que se muestra en la Figura 29-5.

MODELO AVANZADO Puede utilizar un juguete de plástico que ya viene montado y convertirlo en una útil pinza con dos pinzas pequeñas para el brazo de su robot. El juguete es un “brazo de extensión” de plástico con la pinza pequeña en un extremo y una pinza de mano en la otra (véase la Figura 29-6). Para cerrar la pinza pequeña, se tira de la pinza de mano. El artilugio es barato, normalmente menos de 10 €, y puede encontrarse en muchas tiendas de juguetes online.

Figura 29-4 Detalle del montaje de las piezas de la barra central y de los dedos de la pinza de dos dedos: (A) articulación de deslizamiento montada; (B) vista ampliada.

376   Experimentar con pinzas robóticas

Figura 29-5 Pinza con dos dedos terminada, con almohadillas en la punta de los dedos y cables de mando.

Figura 29-6 Juguete de brazo robótico de plástico con dos pinzas disponible comercialmente. La pinza se puede guardar para utilizarla en sus robots.

Corte la pinza 10 cm por debajo de la muñeca. Cortará el cable de aluminio. Ahora corte otros 40 mm de tubo: sólo el brazo, no el cable. Estire el tubo del brazo hasta que esté derecho, y luego coloque una espiga de unos 4 cm de largo y 19 mm de diámetro para que quepa en el brazo rectangular. Taladre un agujero para que pase el cable. El cable no está centrado porque va colocado en el mecanismo de tiro de la pinza, por lo que debe tener esto en cuenta en el agujero. Pase el cable por el agujero, empuje la espiga al menos 12 mm en el brazo y, a continuación, haga dos pequeños taladros de soporte para mantener la espiga o pasador en su sitio (véase la Figura 29-7). Utilice tornillos M3,5 × 20 mm y sus tuercas para fijar las piezas. Ahora puede utilizar la espiga para montar la pinza en un montaje de brazo. Puede utilizar un tornillo en U pequeño de 19 mm o aplanar un extremo de la espiga y colocarla directamente en el brazo. La pinza se abre y se cierra con un solo tirón de 12 mm. Coloque el extremo del cable en una horquilla (disponible en las tiendas de hobby), y luego conéctela a un plato de servo (Figura 29-8).

CONSTRUCCIÓN DE PINZAS CON DEDOS PARALELOS Las Figuras 29-9 a 29-12 muestran otro enfoque para construir pinzas con dos dedos. Añadiendo un segundo raíl a los dedos y permitiendo que pivote en ambos, las puntas de los dedos perma-

Figura 29-7 Detalle de montaje de la pinza de mandíbula y de la espiga de madera. Haga un agujero para pasar por él el cable para manejarlo.

Figura 29-8 Una forma de manejar la pinza: coloque un cable de aluminio desde la pinza al extremo de la horquilla (disponible en las tiendas de hobby) y plato del servo. Un motor R/C gira el plato, tirando o empujando del cable y abriendo o cerrando la pinza.

Pinza de dos dedos 

Figura 29-9 Añadir un segundo raíl a los dedos y permitir que los puntos pivoten libremente hace que las puntas de los dedos permanezcan paralelas entre ellas.

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Figura 29 -10 Detalle de cerca del sistema de dedos con doble raíl. Observe los puntos de giro.

necen paralelas entre ellas cuando se abren y se cierran los dedos. Se pueden utilizar varias técnicas de actuación con dicha pinza. Aquí sólo le mostramos algunos diseños básicos para darle una idea de cómo funcionan estas pinzas. Siéntese libre de experimentar hasta conseguir algún diseño único para sus robots.

Figura 29-11 Una forma de manejar la pinza. Coloque cables en los dedos y tire de éstos con un servomotor. Coloque un muelle de torsión (una tira fina de metal) a lo largo de los dedos y de la palma para abrir los dedos cuando se desactive el motor.

Figura 29-12 Detalle del movimiento de una pinza con dos dedos utilizando un motor y engranajes. El muelle de tensión evita una presión innecesaria en los objetos que se estén agarrando. Los muelles de torsión son piezas delgadas de chapa que actúan para reabrir los dedos de la pinza cuando se haya parado el motor.

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Figura 29-13 Pequeña pinza de plástico utilizada en la herramienta de pinza de sujeción.

Herramienta pinza de agarrar ¡Creo que si alguien se ha tomado el trabajo y la molestia de crear un producto que funciona perfectamente en los proyectos de robótica, lo menos que podemos hacer es aprovechar su amabilidad! En este proyecto utilizamos una herramienta de sujeción de plástico normal, que puede adquirirse en las tiendas de descuento como pinza robótica motorizada. Un servomotor R/C abre y cierra la pinza. Esta pinza es simple de construir y sorprendentemente fuerte. La herramienta de pinza de plástico está disponible en diversas formas y tamaños. La más interesante es la que más se parezca a la pinza de la Figura 19-13. La pinza mide unos 15 cm y tiene alrededor de 4 cm de ancho cuando la pinza está cerrada. Dispone de un mecanismo de bloqueo de plástico, que nosotros quitaremos como parte de los pasos de construcción indicados a continuación.

CORTE DEL SOPORTE DE LA PINZA Utilizando PVC expandido de 6 mm o contrachapado de aeromodelismo de 6 mm, corte el sopor-

Figura 29-14 Distribución de cortes y taladros para el montaje de ambos servomotores R/C y de la pinza.

Herramienta pinza de agarrar 

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te de la pinza como se detalla en la Figura 29-14. El único corte verdaderamente importante en cuanto a dimensiones es el interior del soporte del servo. Este corte se hace mejor haciendo un agujero en una esquina y luego introduciendo por el mismo la sierra de una segueta fina. Fije la sierra en la segueta y corte con cuidado el agujero rectangular para el servo. Asegúrese de no cortar demasiado, o no tendrá espacio para los agujeros de montaje del servo. Una alternativa es serrar un hueco para el servo cortando por las líneas punteadas, como se indica en la Figura 29-14. Este tipo de corte puede debilitar el montaje debido a que sólo hay material de soporte en tres lados en lugar de en cuatro. Pero la fortaleza volverá prácticamente intacta cuando se monte el servo en el hueco. En este caso, utilice los cuatro tornillos de montaje del servo.

COLOCACIÓN DEL SERVO EN SU SOPORTE Utilizando tornillos M3 × 12 mm y sus tuercas, coloque el servo de tamaño estándar en el soporte de la pinza, como se muestra en la Figura 29-15. La parte con ángulo del soporte debe mirar hacia la derecha. El eje del servo debe quedar cerca de la parte con ángulo del soporte. Si desea añadir a la pinza una articulación de muñeca de lado a lado, coloque un plato de servo de doble brazo (debe venir con el servo) en la parte con ángulo del soporte, utilizando también los tornillos y tuercas M3 × 12 mm. Las tuercas deben ir “encima” del soporte (mismo lado que el eje de salida del servo), y el plato debe ir en la parte inferior.

PREPARACIÓN Y MONTAJE DE LA PINZA Prepare la pinza quitándole primero el mecanismo de bloqueo de plástico. En mi opinión, la mejor forma hacerlo es simplemente utilizando la fuerza bruta: empiece quitando el bloqueo y abriendo la pinza todo lo que se pueda. Utilizando un par de alicates fuertes, agarre el mecanismo de bloqueo y rómpalo, literalmente. Si se quedara dentro alguna pieza del mecanismo de bloqueo, intente sacarla con un destornillador plano pequeño.

Figura 29-15 Servomotor R/C colocado en el soporte. Observe la orientación del eje de salida del servomotor.

Figura 29-16 Haga tres agujeros para montar la herramienta de pinza y para colocar la varilla de activación desde el servomotor.

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Figura 29-17 Pinza de agarre terminada, mostrando la varilla de actuación entre la pinza y el servomotor R/C.

Puede que estropee la primera pinza que intente modificar de esta forma, por lo que lo mejor es que compre dos en la tienda, por si acaso. No son caras, y, además, en muchos casos se venden por pares en el mismo paquete. Es así como yo las compro siempre.

Haga tres agujeros de 3 mm de diámetro, como se indica en la Figura 29-16. En un asa se taladran dos agujeros; el espaciado debe coincidir con los agujeros del soporte. El otro taladro es para el enlace del servo, y su posición exacta no es crítica. Asegúrese de que taladra todos los agujeros más o menos en el centro de las asas de la pinza. Finalizado los taladros: 1. Coloque la pinza en el soporte de la pinza utilizando tornillos y tuercas M3 × 20 mm. 2. Coloque un plato de doble brazo o uno de brazo ajustable en el servo. (Cuando utilice un plato de doble brazo, corte el brazo opuesto). 3. Utilizando los dedos, centre lentamente el servo de la pinza en su posición media. 4. Corte un alambre de tipo “piano” (disponible en las ferreterías) a una longitud aproximada de 25 mm. En realidad, yo utilizo como cable un trozo de un imperdible para niños extralargo; puede comprar una docena de ellos por uno o dos euros en la tienda de descuento de la esquina. El imperdible se corta fácilmente con unos alicates. 5. Utilizando los alicates, doble unos 6 mm de los extremos del alambre. 6. Coloque uno de los extremos doblados en el agujero en la palometa del servo y el otro en el agujero vacío que ha taladrado en el asa de la pinza. 7. Una vez que esté seguro de que el cable es de la longitud adecuada (mueva el servo hacia adelante y hacia atrás unas cuantas veces), utilice unos alicates para doblar el cable y asegurarlo en su sitio. No es necesario que apriete demasiado el cable, simplemente, ciérrelo para que no se salga. La herramienta de la pinza de sujeción completa se muestra en la Figura 29 -17. En la base de la pinza hay otro plato de servo de doble brazo, para colocarlo en un servo que se monte en el robot. Este servo permite a la pinza moverse hacia adelante y hacia atrás para agarrar su presa. No tiene que utilizar éste plato de servo si está pensando en atornillar la pinza directamente en el robot.

En la web: más planes de pinzas Eche un vistazo a la página de soporte RBB Online Support (véase el Apéndice A) donde puede

En la web: más planes de pinzas 

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encontrar diseños extra de pinzas, incluyendo una pinza con dos dedos de tipo “tablilla” manejada con un solenoide, dedos que se abren y cierran utilizando un sistema de engranajes hecho en casa, y muchas ideas sobre cómo construir dedos flexibles que agarran de una forma parecida a la humana.


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